[发明专利]基于标准量具的多关节机器人几何尺寸精度校准装置及校准方法

权利要求书

1.基于标准量具的多关节机器人机械臂几何尺寸精度校准装置，

其特征在于所述校准装置包括千分表和标准量块，

千分表与机器人末端的法兰盘刚性连接，其中，千分表精度为0.001mm；

所述标准量块固定在工作台上，并且所述标准量块的表面加工精度Ra<1.6，所述标准量块的几何尺寸根据检测要求选取；

同时，使固定于机器人末端法兰盘的千分表顶端与所述标准量块待检测的表面垂直但不接触。

2.基于标准量具的多关节机器人机械臂几何尺寸精度校准方法，其特征在于使用权利要求1所述的基于标准量具的多关节机器人机械臂几何尺寸精度校准装置，并且包括如下步骤：

2.1)以量块坐标系的X、Y、Z方向为所述千分表的进给方向，分别沿进给方X、Y、Z的取点线取点检测，确定进给方X、Y、Z的取点线上每个检测点的读数计算值x_i、y_i、z_i(i＝1,2,…m，m≥10)和机器人的各个关节轴转动角度计算值[(θ₁～θ₆)_i]_X，[(θ₁～θ₆)_i]_Y，[(θ₁～θ₆)_i]_Z(i＝1,2,…m，m≥10)，如下操作：

2.1.1)在量块的Y-P-Z面上沿着取点线取间隔相同的m个点(m≥10)，控制多关节机器人的机械臂带动千分表垂直量块Y-P-Z面，然后沿X方向进给并沿着取点线依次检测，循环测试n次(n≥10)，记录千分表上每个点n次的检测数值，然后计算每个点n次检测数值的均值，即为X进给方向第i个点的读数计算值x_i(i＝1,2,…m，m≥10)；

2.1.2)按照步骤2.1.1)相同操作，分别在量块X-P-Z面上取点沿Y方向进给测量，在量块X-P-Y面上取点沿Z方向进给测量；然后分别计算Y、Z进给方向取点线上每个点n次检测数值的均值，分别记为Y、Z进给方向第i个点的读数计算值y_i、z_i(i＝1,2,…m，m≥10)；

2.1.3)同时，记录机器人在对每个点每次测量时各个关节轴各自的转动角度，并取X、Y、Z进给方向每个点n次检测的转动角度的均值为关节轴转动角度计算值，即[(θ₁～θ₆)_i]_X，[(θ₁～θ₆)_i]_Y，[(θ₁～θ₆)_i]_Z(i＝1,2…m,m≥10)，其中，(θ₁～θ₆)_i为机器人1-6个关节轴分别在X、Y、Z进给方向第i个点每个关节轴转动角度计算值；

2.2)计算机器人参数误差带来的读数误差，如下操作：

2.2.1)消除权利要求1所述检测装置的量具误差，

建立消除量具误差拟合方程(1)如下所示：

d_{(xi、yi、zi)}＝au+b(i＝1,2…m,m≥10) (1)

其中，d_{(xi、yi、zi)}为进给方向X、Y、Z在第i个检测点的读数标准值d_xi、d_yi、d_zi，

a、b为拟合系数，u为分别沿X、Y、Z进给方向取点线上离散的取点间隔的倍数，

将沿X、Y、Z进给方向每个点的读数计算值x_i、y_i、z_i(i＝1,2…m,m≥10)拟合为读数标准值d_xi、d_yi、d_zi，通过将量块取点线上离散点的读数计算值拟合为读数标准值来表征量块取点线上的真实表面情况，消除权利要求1所述装置的量具误差，即在加工制造和安装固定时产生的误差；

2.2.2)确定的机器人读数误差Δ

将消除量具误差拟合方程(1)拟合的读数标准值与读数计算值的差定义为机器人读数误差Δ，则机器人读数误差Δ如公式(2)所述：

其中，Δ为机器人读数误差，表示在X、Y、Z进给方向的第i个检测点上由于机器人几何参数误差而造成的千分表读数误差；

2.3)确定机械加工误差和机器人臂的金属线性膨胀误差，确定机器人机械臂几何尺寸的范围δ₃，步骤如下：

2.3.1)查询《GB/T1804-2000-m》，确定校正机器人的机械加工公差等级，同时再查询校正机器人的机械臂公称尺寸确定机械加工误差范围δ₁；

2.3.2)确定机械臂的线性膨胀尺寸误差范围δ₂：

Δl＝l·αl·ΔT (3)

其中，l为公称尺寸，αl为线性膨胀系数，ΔT为温度变化范围；

设校正机器人的工作温度为t₁～t₂，机器人机械臂参数为室温t(t₁＜t＜t₂)下标定的参数，则：

其中，Δl₁为工作温度为t₁时机器人机械臂线性收缩量，Δl₂为工作温度为t₂时机器人机械臂线性膨胀量，

则，δ₂＝(Δl₁,Δl₁) (5)

2.3.3)通过δ₁、δ₂确定校正机器人机械臂几何尺寸的取值范围δ₃：

δ₃＝l+(δ₁∪δ₂) (6)

2.4)遗传算法优化机械臂几何参数

2.4.1)确定目标函数

已知校正机器人KUKA-KR210-2700的机械臂末端位置向量为公式(7)所示:

其中，l₁、l₂、l₃、d₄(d₄＝l₄+l₅)为校正机器人D-H参数，其中，l₁、l₂、l₃、d₄(d₄＝l₄+l₅)为机器人D-H参数，S_i、C_i(i＝1、2、3)为sinθ_i、cosθ_i(i＝1、2、3)的缩写，

将机器人D-H参数的理论值l₁、l₂、l₃、d₄和关节轴转动角度计算值[(θ₁～θ₆)_i]_X，[(θ₁～θ₆)_i]_Y，[(θ₁～θ₆)_i]_Z(i＝1,2…m,m≥10)代入公式(7)，计算出X、Y、Z进给方向上的检测点的理论位置向量数值P_X’、P_Y’、P_Z’；

机器人理论位置向量值P_X’、P_Y’、P_Z’与机器人读数误差Δ之和，确定机器人在X、Y、Z进给方向的位置向量的标准值为P_标X、P_标Y、P_标Z：

然后，机器人实际位置向量P_X、P_Y、P_Z与位置向量的标准值P_标X、P_标Y、P_标Z的差Δ_X、Δ_Y、Δ_Z为：

则遗传算法优化的目标函数为：

其中，f₁、f₂、f₃分别为进给方向X、Y、Z对应的目标函数；

2.4.2)定义遗传算法

根据步骤2.3.3)所得的机器人机械臂几何尺寸的取值范围δ₃即为公式(10)所示的目标函数f₁、f₂、f₃中相应变量的取值范围，以及目标函数f₁、f₂、f₃中变量的取值范围，确定变量的二进制编码位数；

然后，

取遗传代数为200～500，

取个体数目为100～300，

取遗传代沟取0.9；

2.4.3)参数优化

将目标函数f₁、f₂、f₃代入MATLAB遗传算法工具箱，运行输出即得校正机器人机械臂几何尺寸最优值，X、Y、Z三个进给方向共3*m个检测点，共得到3*m组校正机器人机械臂几何尺寸最优值，取3*m组校正机器人机械臂几何尺寸最优值的均值作为优化的最终结果。