一種基于平面精度的機器人標定方法及仿真

董慧穎 李文廣

1.沈陽理工大學(xué)，沈陽，110159 2.山東省機器人與制造自動化技術(shù)重點實驗室，濟南，250014

0 引言

在進行離線編程時，需要標定仿真機器人模型與實際機器人本體間的誤差，機器人一般有較好的重復(fù)定位特性，但是其絕對定位精度并不高。因此，很長一段時間以來人們一直采用“錄播”的方式來讓機器人工作，忽略了它的絕對定位精度。標定的目的就是要調(diào)整機器人關(guān)節(jié)零位偏差與末端位姿間的關(guān)系，提高其絕對定位精度。一個機器人的標定任務(wù)分為運動學(xué)模型建立、位姿測量、參數(shù)辨識和誤差補償4個基本步驟。

1 運動學(xué)建模

運動學(xué)模型是決定機器人精度的一個很重要因素，它必須能夠描述所有影響機器人末端位姿的因素。目前，應(yīng)用最為廣泛的機器人運動學(xué)模型是D－H模型。對任意兩鄰接連桿，該模型有圖1所示坐標關(guān)系，圖中4個D－H參數(shù)分別是連桿長度ai、連桿偏轉(zhuǎn)?i、連桿偏移di、關(guān)節(jié)角度θi。劉宇等[1]在對空間機器人位姿精度的研究中采用了D－H建模方法，并采用極大似然算法對機器人的連桿參數(shù)進行了辨識，實驗結(jié)果表明，位姿精度提高了3倍多。

圖1 D－H模型

Lim等[2]提出了一種能同時標定機器人運動學(xué)參數(shù)誤差及彈性形變誤差的算法，并針對實時應(yīng)用編寫了相應(yīng)的Windows應(yīng)用程序，模型描述的誤差因子越全面，則機器人控制驅(qū)動器的位姿就越接近實際的機器人位姿，末端誤差可以減小到1mm以內(nèi)。Radkhah等[3]提出了一種新穎的問題建模方法，并用于自標定，該方法基于正向運動學(xué)方法，整合了幾何與非幾何誤差參數(shù)，最終將機器人末端精度從7×10－3～2×10－2mm提高到了1×10－9～1×10－4mm。馮濤等[4]對穿刺機器人采用指數(shù)積方法建立機器人運動學(xué)模型，然后導(dǎo)出只需位置量的線性誤差模型，并設(shè)計了簡便有效的末端位置標定方案，從而避免了D－H建模方式的奇異問題，將誤差量減小了50%。Lou等[5]解釋了原始指數(shù)積標定因關(guān)節(jié)偏移而總失敗的原因，并提出了一種修正的指數(shù)積建模方法，設(shè)計了更為簡易實用的末端單點測量法。

2 位姿測量

測量是機器人標定過程的關(guān)鍵步驟。最初的機器人標定都是基于開環(huán)機器人運動學(xué)鏈的?；陂_環(huán)運動學(xué)鏈的機器人在標定過程中，位姿測量是必不可少的步驟，測量結(jié)果的精度直接關(guān)系到標定精度。然而，機器人末端位姿的高精度測量是比較困難的，尤其是姿態(tài)的測量，因此，目前很多的標定方法都是基于位置精度的。葉聲華等[6]采用激光跟蹤儀作為測量工具，對機器人運動學(xué)參數(shù)進行標定，通過建立工業(yè)機器人模型，測量獲取關(guān)節(jié)變量與末端法蘭盤中心位置在基坐標系下的準確映射關(guān)系，共標定25個幾何參數(shù)，標定后的平均誤差和均方根誤差改善40%以上。Ji等[7]采用三坐標測量儀作為測量工具，提出了一種對操作機進行標定的位姿測量方法，并將該方法用于并聯(lián)機器人，經(jīng)試驗，標定后精度有了明顯的提高。Lee等[8]采用室內(nèi)全局定位系統(tǒng)（IGPS）作為測量手段，對工業(yè)六自由度弧焊操作機完成了運動學(xué)參數(shù)標定，標定后，機器人位置精度提高至0.2mm。為解決機器人位姿難以測量的問題，Bennett等[9]提出了機器人閉環(huán)運動學(xué)鏈自動標定方法，指出對閉環(huán)機構(gòu)機器人的標定無須測量機器人末端位姿，僅從關(guān)節(jié)角度值就可以完成。

本文所采用的基于平面精度的標定方法同樣屬于閉環(huán)標定范疇，以末端限位的方式隱含了閉環(huán)條件，同時也繼承了部分開環(huán)標定方式下的測量成分。

3 參數(shù)辨識

使用平面精度標定方法的前提是機器人各關(guān)節(jié)是可以獨立控制的，實際應(yīng)用中可以通過使用機器人示教盒實現(xiàn)控制。圖2中的理想平面是機器人空間一已知法向量的平面，通過示教盒控制機器人各關(guān)節(jié)，讓其在工作空間的平面內(nèi)運動。

圖2 平面誤差示意圖

在實際的測量過程中，為保證機器人末端手爪位于所選限位平面內(nèi)，可通過在機器人手爪位置安裝探針裝置，在機器人運動的過程中，控制機器人手爪與限位平面始終保持同等間距。如果不能完全保證機器人末端的平面運動，在測量數(shù)據(jù)充足的條件下，個別測量失誤對誤差的辨識影響不大。

在控制機器人平面運動的同時，通過關(guān)節(jié)驅(qū)動控制器記錄平面上每點處的關(guān)節(jié)角度值。由所記錄的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)經(jīng)各關(guān)節(jié)連桿傳遞后得到理想機器人坐標系下的實際平面，也就是圖2中傾斜的平面，則評價方程如下：

其中，ri是所測量平面上的第i個點的位置量，m是所測量的點的個數(shù)，n是平面的單位法向量，d是原點到所測量平面的距離，ρ是包含所有需要標定的參數(shù)的向量，θ是所測量的關(guān)節(jié)角向量。不同于其他使用外部測量工具的測量方法，這里ri是通過正向運動學(xué)基于參數(shù)ρ計算出來的位置量。

基于上述分析，將標定問題簡化為評價方程式（1）最小的優(yōu)化問題。

使用該方法的幾個前提假設(shè)：機器人末端能夠在空間平面內(nèi)運動；關(guān)節(jié)驅(qū)動器能夠記錄對應(yīng)平面上每點處機器人的關(guān)節(jié)角度值；整個系統(tǒng)的測量點數(shù)要足夠求解出所有的誤差參數(shù)。

假定參考坐標空間一已知位姿的平面，讓機器人末端在該平面運動，對應(yīng)平面上的每點，測量方程滿足：

其中，ρ0＝[ρ′ α P]，ρ0是機器人擴展參數(shù)向量，P和α表示機器人基坐標系的位姿向量，ρ′是機器人的運動學(xué)參數(shù)向量。由于ρ′存在誤差量，但該誤差量相對于機器人的名義參數(shù)值來說是十分微小的，故可將式（2）泰勒展開，只保留一階項得

其中，J（ρ0，θi）為該系統(tǒng)的雅可比矩陣，該雅可比矩陣是對應(yīng)機器人末端位置的分量矩陣，即機器人末端位置量對各個誤差量的微分。

根據(jù)式（3），將該平面上的m個點描述成：

然后就可以應(yīng)用最小二乘法求解誤差量dρ′：

4 誤差補償及雅可比矩陣分析

將式（7）所求得的誤差參數(shù)dρ′用于更新機器人的名義參數(shù)值，并將該值作為修正后的機器人參數(shù)。

線性誤差可以通過迭代參數(shù)辨識算法使得誤差dρ′變得足夠小或小于某一預(yù)先定義的參數(shù)。算法每次迭代后的參數(shù)值可表示如下：

雅可比矩陣是從關(guān)節(jié)速度到笛卡爾速度的轉(zhuǎn)換矩陣。雅可比矩陣中又包括位置速度雅可比和姿態(tài)速度雅可比項，本文使用位置速度雅可比項來描述機器人末端在相應(yīng)關(guān)節(jié)角度下的速度矩陣。

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對末端的影響如圖3所示，由于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動而在末端產(chǎn)生的位移速度為

式中，Zi－1為索引i－1的Z軸方向向量為操作機末端在i－1坐標系下的位置向量。

圖3 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對末端的影響

沿X、Z方向的平移誤差量在操作機末端產(chǎn)生的位移速度分別是各軸坐標系在基坐標系下的旋轉(zhuǎn)矩陣[n′ o a]對應(yīng)的n′、a向量。

因此對應(yīng)線性獨立的誤差分量，可以得到其雅可比矩陣：

式中，d為原點到末端的矢量。

5 仿真實驗

實驗中使用Peter Corke的機器人工具箱建立兩連桿機器人模型，如圖4所示，其連桿參數(shù)如表1所示。

圖4 兩連桿機器人模型

表1 機器人D－H參數(shù)

由于單個平面標定出的數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致所標定的數(shù)據(jù)僅在某個平面內(nèi)有效，同時由于機器人的工作空間是某一有限空間，故我們在限定機器人的平面運動時，給出表2所示的有效約束平面。

表2 標定平面

由于光電編碼器具有很高的精度，因此關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)一般認為是精確的。任何的關(guān)節(jié)角度值誤差只可能來自于關(guān)節(jié)偏移，因此，關(guān)節(jié)偏移被考慮到誤差參數(shù)中。每個關(guān)節(jié)連桿的誤差參數(shù)由θ1、d1、α1、a1、θ2、d2、α2、a2構(gòu)成。要求解所有誤差參數(shù)，至少需要測量8組數(shù)據(jù)。在每個限位平面上選取40個點的數(shù)據(jù)作為標定數(shù)據(jù)，這些點隨機分布在各個平面上的（0.5×0.4）m2區(qū)域內(nèi)。將測得的數(shù)據(jù)應(yīng)用到式（7），便可得出對應(yīng)各誤差的實際值，如表3所示。

表3 誤差參數(shù)辨識

將表3所示的參數(shù)誤差附加至機器人的名義參數(shù)值中，可得到經(jīng)誤差矯正后的位置值，對比矯正前后的位置，便可評價該算法的有效性。表4所示為標定前后原點到面的距離的均方根誤差。

表4 標定前后點到面的距離的均方根誤差對比

上述仿真實驗表明，基于平面精度的標定方法能夠?qū)C器人的絕對定位精度提高50倍。

6 結(jié)束語

本文將一種新穎的機器人標定方法用于提高機器人的絕對精度。該方法測量過程簡單，標定數(shù)據(jù)獲取容易，有利于普及化。從標定原理可看出，機器人基坐標的校準工作可以省去，簡化了標定過程，因而可以縮短機器人線下標定時間。

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