[发明专利]一种基于视觉的串联机器人运动学参数标定方法

说明书

本发明提供一种基于视觉的串联机器人运动学参数标定方法，将相机光轴作为虚拟直线约束，建立基于直线约束的运动学误差模型；在机器人末端固定的标定板上选择一个固定点作为特征点，使用基于图像的视觉控制方法控制机械臂运动，使特征点到达相机的光轴上；根据机器人的关节角数据，使用正运动学计算特征点的名义位置，计算对齐误差矩阵；通过迭代最小二乘算法估计运动学参数误差，根据名义的运动学参数计算实际的运动学参数。本发明利用相机的光轴作为虚拟约束，仅使用机器人的关节角数据即可完成标定，成本低、易操作，不需要昂贵的高精度测量设备，对串联机器人标定具有通用性，可广泛应用于工业、空间、水下环境中提高机械臂的绝对定位精度。

技术领域

本发明涉及一种基于视觉的串联机器人运动学参数标定方法，属于机器人标定领域。

背景技术

随着机器人越来越多的应用于装配、手术、协作等任务，对机器人的末端定位精度有着越来越高的要求。目前机器人末端的位置和姿态误差无法直接进行测量，通常使用运动学模型与关节角数据间接计算得到。由于制造公差、磨损、传输误差、安装位置、环境变化等因素的影响，机器人模型中实际的运动学参数与其名义值间存在偏差，若用名义运动学参数计算机器人的末端位姿，将导致机器人末端位姿的绝对定位精度降低。为了提高机器人的绝对定位精度，必须对机器人的运动学参数进行有效的标定，这也是机器人学研究领域的难点之一

通常，在机器人标定算法中使用高精度的测量设备测量机器人末端的实际位姿，但是这类测量仪器非常昂贵且标定过程十分复杂，对安装调试及测量过程的技术要求较高。基于视觉的标定方法通常使用相机作为测量工具测量实际的末端位姿，相机视野及相机参数误差对运动学参数标定结果有很大影响。为了避免使用高精度测量设备，使用一种成本低、易操作的标定方法，并降低测量设备对标定结果的影响，对于各应用场景中机器人的绝对定位精度的提高十分必要。

本发明涉及的方法针对典型的六自由度工业机械臂，通过定义相机光轴为虚拟直线约束，解决了机器人末端定位精度低的问题。基于视觉的串联机器人运动学参数标定方法对提高串联机械臂的绝对定位精度具有重要的借鉴意义，可直接应用于串联机械臂的运动学参数标定。

发明内容

本发明的目的是为了实现机器人基于相机光轴虚拟约束完成运动学参数标定而提供一种基于视觉的串联机器人运动学参数标定方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：将相机光轴作为虚拟直线约束，建立基于直线约束的运动学误差模型；

步骤二：在机器人末端固定的标定板上选择一个固定点作为特征点，使用基于图像的视觉控制方法控制机械臂运动，使特征点到达相机的光轴上；

步骤三：根据机器人的关节角数据，基于正运动学模型计算特征点的名义位置，计算位置对齐误差矩阵；

步骤四：通过迭代最小二乘算法估计运动学参数误差，根据名义的运动学参数计算实际的运动学参数，完成串联机器人的运动学参数标定。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤一所述的建立运动学误差模型具体为：

(1)基于改进的DH方法建立串联机器人的运动学模型，得到机器人基坐标到末端执行器的变换矩阵；

(2)建立串联机器人的运动学误差模型，得到末端位姿误差向量与运动学参数误差向量间的线性关系，其中ΔP_e和ΔR_e分别表示机器人末端微小的平移和旋转误差；

(3)以相机光轴作为虚拟直线约束，建立基于虚拟直线约束的误差模型，得到对齐误差矩阵E与运动学参数误差向量之间的关系。

2.步骤二所述的基于图像的视觉控制具体为：