邓胜杰
深圳市启程教育发展有限公司
摘要：设计了基于点约束的工业机器人标定系统，其主要原理是通过控制工业机器人末端执行器上的激光指针，使得激光束在４处位置分别能够照射到第１个位置传感装置（ＰＳＤ）中心，并反射到第２个位置传感装置中心，实现激光束校准，获取４组关节角，并通过关节角分别计算出末端执行器位姿的线性方程，根据各线性方程的交点为同一点（点约束），运用Ｉｓｑｎｏｎｌｉｎ函数搜索出工业机器人关节角偏差。试验在建立标定系统模型的基础上，以ＡＢＢ公司的ＩＲＢ１２０型工业机器人作为试验平台，进行了６次标定试验，试验结果表明：基于点约束的工业机器人标定系统可以快速、精确地计算出工业机器人的Ｊ２～Ｊ６关节角偏差，由于变换矩阵原因，关节角Ｊ１暂不能标定。
关键词：相机空间操作;工具标定;多点标定;工具中心点;点约束
引言
在现代食品生产工业体系中，对自动化、智能化的需求不断提高，工业机器人作为一种智能自动化装备在食品生产过程中具有举足轻重的作用，但工业机器人存在重复定位精度高、绝对定位精度低的特性，近年来食品工业中对于绝对定位精度要求高的应用场合越来越多，工业机器人的绝对定位精度远远不能满足要求。影响工业机器人绝对定位精度的因素很多，主要有热膨胀、减速器齿轮啮合误差、机械结构变形、连杆和关节的Ｄ－Ｈ参数误差等，而工业机器人运动学模型的参数误差是影响其绝对定位精度的主要因素之一。工业机器人的大部分运动学参数（如连杆长度、连杆扭角等）与机械结构有关，这些参数在工业机器人生产调试过程中被设置并保持。另一些运动学参数，如关节偏移角，在长时间运行后或当电机、编码器被更换时，实际值会发生改变，从而偏离设定值。据统计，工业机器人大约８８％的绝对定位误差是由于初始设定的关节角零位偏差值和实际的零位偏差值之间的误差造成的。因此，必须对工业机器人的关节角零位进行重新标定来提高其绝对定位精度。当前工业机器人标定方法主要有立体视觉法、虚拟闭合运动链法、协进化网络法、伪误差法等，所使用的仪器包括经纬仪、激光束投影、二维机器视觉、便携式坐标测量机等，然而，这些方法要么受到环境的影响，要么耗时且昂贵，在实际应用场合很难推广。提出了基于点约束的机器人运动学参数标定方法，但此方法存在２个缺陷：①需要同时控制待标定的工业机器人和二自由度平台，保证激光束能垂直射到位置传感装置（ＰＳＤ）中心点，操作不方便且耗时较长；②系统采用非固定式单ＰＳＤ，存在一定的误差，准确度低。本试验提出了一种全新的基于点约束的工业机器人关节角零位标定系统，采用固定式双ＰＳＤ配置，通过对工业机器人的正、逆运动学和相应搜索算法的研究，实现快速、自动、准确的工业机器人的关节角的标定。
1概述
工业机器人的应用越来越广泛。然而现今的机器人的重复定位精度高而绝对定位精度低，为了满足更多复杂任务的工作需求，标定机器人的准确参数变得尤为重要。机器人标定就是采用测量手段或者基于运动学模型的参数识别方法辨识出机器人模型的准确参数，从而提高机器人绝对精度的过程。标定可以细分为参数标定、自标定以及正标定和逆标定等关键标定技术。参数标定是获得运动学模型的一种相对有效且经济的标定方法。其中零位标定属于参数的一种，是提高机器人定位精度最重要的一种标定方法。本文研究基于点约束的标定方法。在机器末端固定激光器，在机器人工作空间内放置一个位置传感器位置敏感检测器（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ，ＰＳＤ），使激光以多个位姿定位到位置传感器的中心，实现点约束。单点约束要求激光线以多个姿态近似垂直投射在ＰＳＤ表面，激光线的倾斜照射可能带来一定误差。另一方面机器人的标定系统中，可能存在其他系统误差，如杆件参数误差。基于点约束，本文提出多点约束进行标定，将ＰＳＤ装置放置在机器人可达空间的多个位置，在每一位置上进行少量次数的激光定位，实现多点约束。通过仿真和实验，对比空间ＰＳＤ多点分布与ＰＳＤ单点约束的标定效果。
2机器人模型
2.1ＤＨ模型
为了对机器人进行标定，首先要建立机器人的运动学模型，ＤＨ模型是应用最广泛的一种机器人建模模型，ＤＨ模型可以唯一地描述机器人运动链的结构。ＤＨ模型用αｉ，θｉ，ａｉ，ｄｉ这４个参数来描述机器人的连杆坐标系，对于旋转关节，θｉ是关节变量，其余３个参数是机器人连杆机构固有几何参数。其他３个参数分别为杆件长度ａｉ、杆件扭角αｉ以及关节平移量ｄｉ。利用ＤＨ模型进行机器人建模。建立轴ｉ－１与轴ｉ之间的齐次变换矩阵如下： 则六自由度工业机器人从机器人基坐标到机器人末端坐标系的变换矩阵可得如下：
2.2零位搜索模型
假设工业机器人的关节角零位偏差值为△ｑ，△ｑ＝［△ｑ１，△ｑ２，△ｑ３，△ｑ４，△ｑ５，△ｑ６］Ｔ，可以获得４个位置的工业机器人实际关节角为（ｑ１＋△ｑ）、（ｑ２＋△ｑ）、（ｑ３＋△ｑ）、（ｑ４＋△ｑ），根据工业机器人的Ｄ－Ｈ参数，可以计算出在４组关节角下工业机器人末端执行器的位姿状态，并根据位姿状态获得相应的线性方程，获得相应的交点。计算出的工业机器人末端执行器的位姿线性方程是带△ｑ的函数，因此，求出的交点也是带△ｑ的函数。位置１、２和３、４两两组合，形成４个交点ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４。求出４个交点的坐标平均数ｐ＝［ｘａ，ｙａ，ｚａ］Ｔ，根据点约束原则，４个交点应为同一点，因此，得出方程：ｆ１＝ｐ１－ｐ，ｆ２＝ｐ２－ｐ，ｆ３＝ｐ３－ｐ，ｆ４＝ｐ４－ｐ。运用最小二乘法原理，使得函数ｆ的均方误差最小，运用Ｉｓｑｎｏｎｌｉｎ方法进行搜索，从而获得△ｑ，最终得到工业机器人的关节角零位偏差值，完成标定工作。
2.3激光校正试验
基于点约束的工业机器人标定试验第一步必须假设预估矩阵，并且要求预估矩阵的位置符号与实际变换矩阵的位置符号必须相同，预估矩阵的旋转角和实际变换矩阵的旋转角误差不能超过９０°，这样才能保证快速的获取４个位置工业机器人关节角。因此，试验前必须恰当摆放位置传感装置的位置。本试验中，摆放位置传感装置的位置，使得ＰＳＣＦ坐标系和工业机器人基坐标系的角度近似为０°，并测量出２个坐标系之间的位移近似为Ｐ＝［－３４１，０，－１２５］Ｔ，从而获得预估变换矩阵为： 利用固定在工业机器人末端执行器上激光指针附近的照相机，通过视觉伺服功能，使得激光束能够照射到第１个ＰＳＤ上，并且反射到第２个ＰＳＤ上，再运用本文建立的标定模型和预估变换矩阵，实现激光束的ＰＳＤ中心校准，如图４所示，由于预估变换矩阵和真实变换矩阵存在一定误差，收敛过程中存在一些振动，但整体趋势会迅速收敛，同时由于工业机器人精度的限制，收敛后的存在一定微小的振动，但不影响整体标定系统。
结语
针对工具坐标系标定，本文提出了采用了基于相机空间定位的工具坐标系标定方法，利用双目视觉，控制标志圆环的中心点始终处于空间内同一位置，实现TCP标定中的点约束，通过多个圆环标志进行TCF姿态标定。实验结果表明，相机空间定位能够精确地控制机器人使得标志圆环的中心点在相机空间内处于同一位置，在机器人工作空间内的多个位置进行点约束，进行TCP标定，实验的结果验证了基于视觉的工具坐标系标定方法具有较高的稳定性。另一方面，将标定得到工具坐标系参数补偿到机器人任务中，相对于预估的工具参数，机器人的定位精度有了很大的提高。
参考文献
［1］李琚陈，曾谊晖．六关节工业机器人工作空间及轨迹规划仿真［Ｊ］．食品与机械，２０１７，３３（１０）：９８－１０３．
［2］王惠．基于ＰＳＤ的工业机器人无标定伺服定位系统［Ｊ］．机床与液压，２０１７，４５（３）：１０６－１０８．
论文作者:邓胜杰
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：机器人论文; 工业论文; 关节论文; 位置论文; 参数论文; 误差论文; 零位论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;