基于标定及补偿提高串联机器人定位精度方法

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1、2017年1月北京航空航天大学学报January2017第43卷第1期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstmnauticsV01．43No．1http：ffbhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．C11DOI：10．13700／j．bh。1001-5965。2016。0045基于标定及补偿提高串联机器人定位精度方法范明争，韩先国+(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100083)摘要：在使用串联机器人进行定位操作前，首先需要对机器人基坐标系与测量坐标系进行位姿关系的标定，针对具有隐藏机器人

2、基坐标系以及机器人法兰坐标系的串联机构，本文提出一种等价变换思想并结合应用激光跟踪仪测得机器人末端靶标点的坐标数据建立标定矩阵方程，应用罗德里格矩阵变换将标定方程转化为三元二次矩阵方程形式，采用最小二乘法和牛顿迭代法求出数值解进而完成机器人基坐标系与测量坐标系标定的方法。然后应用这种方法进行标定试验得到了20组标定结果，通过比较标定结果偏差进而验证了这种方法的正确性。最后，本文验证了应用这种标定方法的标定结果并结合一种新的位姿补偿算法后，能极大地提高机器人末端的定位精度。关键词：机器人；标定；等价变换法；补偿；定位精度中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1001

3、-5965(2017)ol田1764)8随着工业机器人在自动化作业中的地位越来越高，提高机器人的定位精度进而扩大机器人使用范围是当前的研究热点之一¨1。工业机器人的标定通常分为3类：机器人连杆参数的标定；机器人工具坐标系标定；机器人与其他设备的关系标定旧1。针对这3类标定，齐飞等¨1通过研究得到了机器人标定技术的发展趋势是通过高精度的测量仪器实现快速准确的标定。在完成第1类标定后，可以不通过第2类标定直接标定工业机器人基坐标系与测量坐标系的关系来实现机器人定位操作H。。机器人的基坐标系一般隐藏在机器人的底座上，在实际中一般很难通过测量仪器测量得到，有些机器人末端的法兰坐标

4、系也是隐藏的。如何实现在机器人基坐标系和法兰坐标系在隐藏的情况下快速准确实现机器人基坐标系与测量坐标系位姿标定?如何应用标定结果进一步提高机器人定位精度?Rossano¨o和Gu∞1等运用机器人末端与球面、圆柱面等特殊几何形状的接触并根据不同接触位形建立了不相容方程组得到机器人基坐标系的标定结果，但这种方法是建立在机器人的末端工具具有特殊结构的基础上的，并且这种方法对特殊几何形状的精度要求很高。任永杰等"1对机器人轴1和轴2分别进行单轴运动，运动过程中通过激光跟踪仪旧1得到末端靶标数据实现机器人基座标系标定，但是这种方法需要获取大量的数据，不能实现快速标定。王伟等⋯也使用

5、激光跟踪仪进行测量标定，应用单位四元数表示法得到了机器人基坐标系与测量坐标系的姿态关系，然而这种方案的前提是法兰坐标系或基坐标系直接通过激光跟踪仪的测量得到，不能解决具有隐藏法兰坐标系的串联机器人的标定问题。本文针对具有隐藏机器人基坐标系和法兰坐标系的串联机器人提出了一种快速标定的新方法，并通收稿日期：2016-01—13；录用日期：2016-04·15；网络出版时间：2016-05-0414：06网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160504．1406．002．html基金项目：国防基础科学研究计划(A0320132

6、007)；国家科技重大专项(2010ZX04007-052)}通讯作者：E·mail：hanxiangu02003@163．COrn引用格式：范明争，韩先目．基于标定及补偿提高串联机器入定位精度方法fJJ．北京航空航天大学学报，2017，43(J)：176-183·FANMZ．HANXG．PrecisionimprovementmethodforserialrobotlocalizationbasedOnanewcalibrationandcompensationstrate—syFJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsand

7、Astronautics，2017，43(I)：176—183(inChinese)·立完成。标定过程就是需要知道测量坐标系相对于机器人基坐标系的位姿矩阵F，。在建立模型时，末端3个靶标点在测量坐标系{0，}下的坐标是已知的，机器人法兰坐标系相对于基坐标系的位姿可以通过机器人面板得到(也可以根据机器人各关节角度得到DH参数得到¨。¨)。2标定理论2．1等价变换法得到标定方程根据图1所示的标定模型，当控制串联机器人达到一个新的位姿后，图1中相应的矩阵r。，、丁阡变化为F。R、砟心，靶标点P。、尹：、只在测量坐标系{0，}中的坐标