虚拟封闭运动链法提高机器人运动学标定精度

第25卷第2期2009年4月机械设计与研究

M achine D esign and R esearch V o.l 25N o .2A pr .,2009

收稿日期:2008-11-24

文章编号:1006-2343(2009)02-057-03

虚拟封闭运动链法提高机器人运动学标定精度

夏 天1

,孙翰英2

,范嘉桢1

,杨建国

1

(1.上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240,E -m ai:l shuitian @sjtu .edu .cn ;

2.山东淄博职业学院机电工程系,淄博 255314)

摘 要:介绍了一种基于激光器构造虚拟封闭运动链的标定方法,该方法通过末端操作器上安装的激光

器向观测平板发射激光束,并保持激光投影点处于观测平板上一个固定位置,构造出一个虚拟封闭运动链。在此基础上对I RB140机器人的几何参数进行了标定,经试验验证表明,本标定方法有效地实现了机器人绝对精度的大幅度提高。

关键词:机器人;标定;激光器;虚拟封闭运动链中图分类号:TP24 文献标识码:A

Research of Industri al Robot Calibration Based on V irtual Closed K i ne matic Chai n

X IA T ian 1

,SUN H an -y i n g 2

,FAN Jia -zhen 1

,YANG Ji a n-guo

1

(1.Schoo l ofM echanical Eng i neeri ng ,Shangha i Ji aotong U n i versity ,Shangha,i 200240,Ch i na ;2.M echan ica l and E l ec trical Eng i neeri ng D epart m ent ,Z i bo V oca ti ona l Institute ,Z i bo 255314,Ch i na) Abstract :T h i s paper descr i bes a robo t cali brati on approach ,wh i ch for m s a v i rtual c l o sed k i ne m atic cha i n by u -si ng a l aser .F i rstl y a lase r i s attached to the end effecto r to produce a laser li ne ai m i ng at an observ i ng p l a te .Then t he pro j ec ted laser spot i s m a i nta i ned on a fi xed po i nt on t he observ i ng plate by ad j usti ng the j o i nt ang l es so as to f o r m a v i rtua l c losed k i ne m atic cha i n .T hus ,t he geom etr ica l para m eters can i dentifi ed f o r t he IRB140robot .A t l ast ,it is proved t hat the abso l ute accuracy of the robo t is high l y i m prov ed after cali brati on by expe ri m en t .

K ey words :robo t ;ca libration ;

l aser ;v irt ua l closed k i ne m atic cha i n

重复精度较高而绝对精度较低是目前工业机器人应用中一个众所周知的事实。近年来,如何提高工业机器人绝对精度的提高的研究一直是机器人领域的研究热点之一。在影响工业机器人绝对精度的各因素中,因加工、装配造成的连杆几何参数误差起到决定性作用。国内外研究者们针对机器人运动学标定做了大量研究。

运动学标定技术通常包括四个步骤

[1]

:(1)建立准确的

运动学模型;(2)用已知精度的测量装置测量出机器人末端操作器的位姿;(3)引入算法辨识几何参数;(4)对原有机器人运动学模型进行修正。在标定过程中,测量手段是一个极其重要的因素。通常采用的测量系统包括三坐标测量仪及激光(关节型多杆)随动系统等。但是这些测量方法一方面比较繁琐,对使用者的技术要求比较高,另一方面费时较长且成本很高。近年来,为了避免测量系统对标定造成的限制,研究者们提出了只借助内部传感器而不需要另行测量末端操作器位姿的多种标定方法

[2-4]

。如一些研究者们通过

在机器人工作空间施加形状已知的物理约束,利用机器人末端操作器与这些约束间的约束方程来求解运动学参数,其中包括Zhuang 施加一个平板约束于末端操作器上建立约束方程

[2]

,N e wm an 采用一道与末端操作器同轴的激光束施加线

性约束[3]等。

下面首先讨论了机器人运动学模型的建立方法,然后提出了一种基于虚拟封闭运动链的机器人几何参数标定方法,最后进行了试验验证。

1 运动学模型

这里的标定对象为A BB 公司生产的六自由度IRB140机器人。为实现其的标定方法,所以在机器人的腕关节上安装了一个激光器。

如图1所示,遵从DH 模型的基本原则建立机器人坐标系[5]:

(1)确定Z i 轴:Z i 轴沿第i +1关节的回转轴线方向;(2)确定原点:原点O i 在Z i -1与Z i 的公法线上,即为此公法线与Z i 的交点;

(3)确定X i 轴:X i 轴沿Z i -1与Z i 的公法线方向(当Z i -1与Z i 平行时,选择为过O i -1点的公法线);

(4)Y i 由右手法则确定。

DH 模型四个参数分别是关节角H i 、偏距d i 、连杆长度a i 、扭角A i 。其中H i 是X i -1与X i 的交错角,绕Z i 右旋为正;d i 是X i -1到X i 的距离,沿Z i 轴指向为正;a i 是Z i -1到Z i 的距离,沿X i 轴指向为正;A i 是Z i -1与Z i 的交错角,绕X i 右旋为正。则由第i -1关节到第i 关节(i =1,2,4,5,6)的变换矩阵为: