[发明专利]用于Stewart平台构型的六自由度并联机器人基准位姿标定方法

说明书

技术领域

本发明属于并联机器人技术领域，具体涉及一种基于运动学模型的六自由度并联机器人基准位姿标定方法，用于指导和辅助六自由度并联机器人的运动学建模和精确控制。

背景技术

六自由度并联机器人被广泛地应用于运动模拟、位姿调整和数控加工等系统中。并联机器人的基准位姿是实现其运动精度的位姿参考点，只有通过基准位姿的校准，并联机器人的运动才具有物理意义。为了指导六自由度并联机器人运动学建模、实现运动平台的精密运动控制，研究六自由度并联机器人的基准位姿标定方法是非常必要的。

并联机器人的基准位姿可以通过硬件固化在机构中，例如采用绝对编码器记下各个驱动关节对应于基准位姿的驱动量，系统每次开机时仅需执行该驱动量即可恢复机构的基准位姿。然而，在目前运行的并联机器人中，为了降低控制难度和硬件成本，绝大多数并联机器人采用增量式编码器来检测各驱动支腿的运动状态。增量式编码器的一个明显缺陷是硬件系统关闭或者突然掉电后不能保存此前的测量数值，因此不能凭编码器本身来恢复基准位姿的作用，必须附加一套产生基准位姿的机电一体化装置，并对该基准位姿进行标定，固化到控制程序中。

除了与附加的基准位姿产生装置的安装位置有关，并联机器人的基准位姿还受铰链实际装配位置的影响，因此标定基准位姿的前提是获知铰链的精确位置。由于机械加工误差、装配误差等因素的影响，并联机器人的理论结构参数与实际的结构参数相比存在偏差，使得并联机器人的运动学理论模型不准确，从而影响其执行精度等运动学性能。解决这个问题的方法有两种：一是直接提高机械加工精度及安装精度；另一种方法是采用运动学标定辨识并联机器人的运动学模型。直接提高机械加工精度及安装精度的代价将是极大地增加制造成本。采用运动学标定辨识并联机器人运动学模型的方法只需要按照普通精度要求进行机械加工，但安装并联机器人后要通过运动学标定获得更接近实际的结构参数。与前一种方法相比，通过标定提高并联机器人精度的方法成本低廉且可行性比较好，本发明即采用这种方法。

目前，在国内外公开的并联机器人运动学模型标定方法有以下几类：

(1)直接法。该方法采用高精度专用测量仪器直接测量并联机器人铰链中心位置坐标等参数，虽然该方法原理上最为直接、简单，但是往往受限于仪器条件在实践上很少采用。

(2)开环法。这是并联机器人传统的标定方法，有时也被称作动平台位姿测量法。该方法关键之处在于利用高精度测量仪器确定动平台的位姿，通过多个位姿的测量辨识出并联机器人的运动学参数。对于动平台位姿的获取又包括直接和间接两种方法。直接测量法如利用API公司的六自由度测量靶标进行动平台位姿测量。间接测量法则通过长度的测量确定动平台的位置和姿态，例如北京邮电大学采用光栅球杆仪，通过测量动平台上三点和工作台上三点共九个长度对动平台的位姿进行了测量。开环法原理简单，但是检测装置都非常昂贵。采用直接测量法需要考虑如何避免测量仪器角度误差的影响，采用间接测量动平台的位姿通常会引入测量误差。

(3)闭环法。闭环标定法是相对于开环标定法而言的，在开环标定法中仅仅测量动平台的多个位姿就可以辨识出运动学参数，闭环标定法是指标定过程中不仅可以包括动平台位姿的测量，更多的是采用附加传感器对主、被动副相对运动的测量。由于测量方式的种类繁多，标定中主动副被动副的测量存在与否以及闭环方程的多种表达方式，导致闭环标定又包括多种方法。

上述文献提出的并联机器位姿标定方法在确定六自由度并联机器人的基准位姿时均存在实现难度大和运算效率低的缺陷。

发明内容

本发明的目的是避免采用现有标定算法理论过于复杂、效率低下、收敛性没有保证的弊端，提供一种采用三自由度测量设备标定铰链坐标，进而对生成的基准位姿进行标定的方法，指导或辅助并联机器人的运动学建模和精密运动控制。它适合各种采用线性执行器(如电动缸、液压缸、直线电机等)作为驱动部件的并联机器人产生基准位姿并进行标定，以提高并联机器人系统的运动精度、缩短运动学建模与标定时间、提高使用过程的安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：用于Stewart平台构型的六自由度并联机器人基准位姿标定方法，包括如下步骤：

(1)分别在并联机器人的基座上建立基座坐标系{O}，在运动平台上建立运动平台坐标系{P}；