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专利号: 2023109111865
申请人: 北京信息科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-10-22
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于分布式位姿采集和模型降维的机械臂标定方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一、在机械臂第i关节和第j关节分别安装一个位姿传感器,基于MDH规则建立机械臂各关节坐标系,且位姿传感器均可实时输出自身坐标系的位姿信息;其中第j关节为机械臂的末端关节,第i关节为机械臂的中间关节,且i和j均为正整数,i

所述机械臂各坐标系至少包括基坐标系、第i关节坐标系、第j关节坐标系、位于第i关节位姿传感器的第一位姿传感器坐标系以及位于第j关节位姿传感器的第二位姿传感器坐标系;

所述第i关节坐标系的建立方法为:

在θ1=...=θi=0°处仅转动第i+1关节,用测量仪器采集末端关节上的位姿传感器的圆弧轨迹,拟合得到圆弧旋转轴向量zi+1;在θ1=...=θi=θi+1=0°处仅转动第i+2关节,采集末端关节上的位姿传感器的圆弧轨迹,拟合得到圆弧旋转轴向量zi+2;圆弧旋转轴向量zi+1和zi+2的公垂线与圆弧旋转轴向量zi+1的交点作为原点Oi+1;在θ1=...=θi‑1=0°仅转动第i关节,测量仪器采集末端关节上的位姿传感器的圆弧轨迹,拟合得到圆弧旋转轴向量zi,过Oi+1作zi的垂线,交zi于Oi,作为第i关节坐标系的原点,即可建立第i关节坐标系Fi;

所述位于第i关节位姿传感器的第一位姿传感器坐标系的建立方法为:

首先第一位姿传感器采用三个激光靶球;

在θ1=...=θi=0°处用测量仪器分别采集第i关节上的3个激光靶球坐标;

选取其中一个激光靶球坐标作为共用坐标,结合另外两个激光靶球坐标构建单位向量v1和v2,将向量zs1=v1×v2作为第一位姿传感器坐标系的Zs1轴,v1作为第一位姿传感器坐标系的Xs1轴,共用的激光靶球坐标作为第一位姿传感器坐标系的原点坐标Os1,即可建立第一位姿传感器坐标系Fs1;

步骤二、选择测量构型(θ1,...,θi)k1(k1=1,2,...,m1)和(θ1,...,θj)k2(k2=1,2,...,m2),其中(θ1,...,θi)表示测量构型对应的前i个关节的转角指令集合,(θ1,...,θj)表示测量构型对应全部关节的转角指令集合,k1、k2分别表示测量构型的序号,m1和m2表示测量构型的数量;其中在(θ1,...,θi)k1处由位于第i关节的位姿传感器获得第i关节实际位姿pia,在(θ1,...,θj)k2处由位于第j关节的位姿传感器获得第j关节实际位姿pja;

步骤三、基于已知的机械臂名义DH参数和机械臂正运动学,分别在(θ1,...,θi)k1处计算第i关节名义位姿pi,在(θ1,...,θj)k2处计算第j关节名义位姿pj;

步骤四、根据Δpi=pia‑pi计算(θ1,...,θi)k1处的第i关节位姿误差Δpi;

步骤五、建立前i个关节的标定模型Δpi=JAΔuA,并根据Δpi=JAΔuA求解ΔuA;其中JA是依据机械臂正运动学和微分变换原理建立的雅克比矩阵,ΔuA表示前i个关节的DH参数误差向量;

步骤六、根据Δpj←A=J′AΔuA计算在(θ1,...,θj)k2处基于ΔuA所导致的第j关节位姿误差Δpj←A,其中J′A是ΔuA到第j关节在(θ1,...,θj)k2处位姿误差的雅克比矩阵;并根据Δpj=pja‑pj‑Δpj←A计算(θ1,...,θj)k2处的第j关节位姿误差Δpj;

步骤七、建立全部关节的标定模型Δpj=JBΔuB,并根据Δpj=JBΔuB求解ΔuB,其中JB是依据机械臂正运动学和微分变换原理建立的雅克比矩阵,ΔuB表示全部关节的DH参数误差向量;

步骤八、通过修正关节指令的方式间接补偿DH参数误差ΔuA和ΔuB。

2.根据权利要求1所述的机械臂标定方法,其特征在于,所述基坐标系的建立方法为:首先仅转动机械臂的第一关节,用测量仪器采集末端关节上的位姿传感器的圆弧轨迹,拟合得到圆弧旋转轴向量z1,作为第一关节坐标系的Z1轴;

然后在第一个关节转角为0度时,即θ1=0°处仅转动第二关节,测量仪器采集末端关节上的位姿传感器的圆弧轨迹,拟合得到圆弧旋转轴向量z2,作为第二关节坐标系的Z2轴;将向量x1=z1×z2定义为第一关节坐标系的X1轴,圆弧旋转轴向量z1和z2的公垂线与圆弧旋转轴向量z1的交点作为原点O1,即可建立第一关节坐标系F1;令基坐标系F0与F1重合,得到基坐标系F0。

3.根据权利要求1所述的机械臂标定方法,其特征在于,所述第j关节坐标系的建立方法为:首先在θ1=...=θj‑2=θj=0°处仅转动第j关节,用测量仪器采集末端关节上的位姿传感器的圆弧轨迹,拟合得到圆弧旋转轴向量zj‑1;

在θ1=...=θj=0°处仅转动第j关节,采集末端关节上的位姿传感器的圆弧轨迹,拟合得到圆弧旋转轴向量zj,作为第j关节坐标系的Zj轴;

将向量x6=z5×z6定义为第j关节坐标系的Xj轴,圆弧旋转轴向量zj‑1和zj的公垂线与圆弧旋转轴向量zj的交点作为原点Oj,由此建立了第j关节坐标系Fj。

4.根据权利要求1所述的机械臂标定方法,其特征在于,所述位于第j关节位姿传感器的第二位姿传感器坐标系的建立方法为:首先第二位姿传感器采用三个激光靶球;

在θ1=...=θj=0°处用测量仪器分别采集第j关节上的3个激光靶球坐标;

选取其中一个激光靶球坐标作为共用坐标,结合另外两个激光靶球坐标构建单位向量v3和v4,将向量zs2=v3×v4作为第二位姿传感器坐标系的Zs2轴,v3作为第二位姿传感器坐标系的Xs2轴,共用的激光靶球坐标作为第二位姿传感器坐标系的原点坐标Os2,即可建立第二位姿传感器坐标系Fs2。

5.根据权利要求1所述的机械臂标定方法,其特征在于,所述步骤二中第i关节及第j关节的实际位姿的计算方法为:首先基于得到第i关节坐标系Fi、第一位姿传感器坐标系Fs1、第j关节坐标系Fj、第二位姿传感器坐标系Fs2分别推导出第一位姿传感器坐标系到第i关节的齐次坐标变换矩阵以及第二位姿传感器坐标系到第j关节坐标系的齐次坐标变换矩阵:* 0 ‑1 0

T#=(T*) (T#)

其中*代表第一位姿传感器或第二位姿传感器;#代表第i关节或第j关节;

* 0 ‑1 0

基于T#=(T*) (T#)分别求出各测量构型(θ1,...,θi)k1(k1=1,2,...,m1)和(θ1,...,

0 0

θj)k2(k2=1,2,...,m2)对应关节的实际(T#)ku,即为(T#a)ku,其中#代表第i关节或第j关节,对于测量构型(θ1,...,θi)k1(k1=1,2,...,m1),ku指代k1(k1=1,2,...,m1),对于测量构型(θ1,...,θj)k2(k2=1,2,...,m2),ku指代k2(k2=1,2,...,m2);

0

设定(T#a)ku的各元素表征为:

其中#代表第i关节或第j关节,对于测量构型(θ1,...,θi)k1(k1=1,2,...,m1),ku指代k1(k1=1,2,...,m1),对于测量构型(θ1,...,θj)k2(k2=1,2,...,m2),ku指代k2(k2=1,

2,...,m2);

0

由(T#a)ku即可得到对应关节的实际位姿向量(p#a)ku:

其中atan2(y,x)是双变量反正切函数。

6.一种基于权利要求1‑5任一项所述机械臂标定方法的机械臂标定装置,其特征在于,包括测量仪器和位姿传感器,所述位姿传感器至少包括两个,且其中一个位姿传感器安设于机械臂的末端关节;另一位姿传感器安设于机械臂的中间关节。

7.根据权利要求6所述的机械臂标定装置,其特征在于,所述机械臂采用六自由度机械臂,所述测量仪器采用激光跟踪仪,所述位姿传感器采用三个不共线的激光靶球,每个激光靶球分别通过靶球基座粘贴于一端有圆台的螺纹杆上;位于机械臂中间关节的三个激光靶球通过螺纹杆连接于剖分式连接圈,两段剖分式连接圈夹紧连接于机械臂中间关节;位于机械臂末端关节的三个激光靶球通过螺纹杆连接于末端关节的法兰端面的螺纹孔。