[发明专利]一种基于激光位移计的机械臂参数标定方法

说明书

本发明一种基于激光位移计的机械臂参数标定方法，通过3块两两垂直的立方标定板作为标定空间和安装在机械臂末端的低成本激光位移计作为标定工具，来获取数据，再通过全局最优解求解的算法OQNLP对加入了编码器回零误差、加工装配误差等因素的改进DH参数以及激光位移计的安装误差参数进行优化，得到最终的标定参数结果。该方法具有使用便捷、成本低廉、测量稳定、数据获取简单以及标定精度同激光位移计相似的特点。

技术领域

本发明属于工业机器臂标定领域，尤其涉及一种基于激光位移计的机械臂参数标定方法。

背景技术

机器人的定位精度是衡量其性能最重要的指标之一。其重复定位精度主要受关节控制误差的影响，现国内外应用的机器人一般能够达到亚毫米级。但其绝对定位精度一般在毫米级，通常为2～3mm，这在很大程度上降低了其在精密作业中的应用效果。研究表明，机器人绝对定位精度的最大影响因素为其运动学参数的误差，其影响约占到系统总误差的65％～95％。机器人的运动学参数标定是解决这一问题的基本方法。其原理为构造及优化某种与运动约束相关的误差函数，以矫正运动学模型中的机器人名义结构参数，使其更接近于真实加工及安装状态。

机器人的参数标定按照约束建立的方法可分为三大类：外部直接测量法、外约束标定、自约束标定。外部直接测量法通常利用高精度仪器对机器人末端位置进行三维测量，并以此为作为标定约束。这类方法数学建模过程简单，但通常需要昂贵的测量仪器和实施环境支持。外约束标定法利用安装于机器人末端的传感器在不同的空间位置测量与外部参照物的相对位姿关系，从而形成空间约束。这类方法使用的测量仪器相对简单廉价，但需要设计合理的外部参照物。自约束标定法则是通过构建封闭运动链以利用自身的运动学建立几何约束，虽其误差函数构建不依赖参照物，但通常需要外部参考建立封闭运动链，且其数学模型相对复杂。

外约束标定通常具有易于计算和实践的优势，已获得广泛的应用。在已有的研究中使用的最常见的测量装置有视觉传感器和接触式传感器两大类。接触式传感器操作较为复杂，且存在碰撞和仪器损伤风险，因此在近年的研究中越来越多地使用视觉进行标定。例如，马建伟、闫慧腾等人公开的基于激光跟踪仪测量机械臂运动学参数标定方法，专利号CN110281241A，其标定方法在采用了激光跟踪仪测量机械臂末端位置的坐标，来进行误差标定模型的多次迭代进行求解，但由于激光跟踪仪属于昂贵且操作复杂的工业级设备，因此，具有较高的设备要求和负责工序。王广志、曾柏伟等人公开的激光测距仪和机械臂末端关系的正交平面标定方法及系统，专利号CN105444672A，其使用正交平面作为标定平面和应用非线性优化方法充分利用点的共面性作为约束条件来求解空间变换关系的标定问题，但没有考虑到正交平面之间夹角之间的误差。

发明内容

针对现有技术中误差参数模型中考虑不足的问题，本发明的目的是提供一种利用末端安装的激光位移计测量与外部参照物相对位置关系的方法，具有使用便捷、成本低廉、测量稳定及数据获取简单的特点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种基于激光位移计的机械臂参数标定方法，首先使用DH参数法对机械臂运动学模型，再通过加入了编码器回零误差、加工装配误差等因素的改进DH参数后得到了新的变换矩阵。之后，激光位移传感器发射出激光束照射在标定板上，通过变换机器人位姿，采集三块标定板平面上多点测量数据，利用多个测量点进行多平面拟合和多平面角约束，通过已建立的参数误差模型优化求解关节参数误差。方法的具体步骤如下：

步骤一，机械臂运动学误差参数模型建立；

步骤二，通过三块两两垂直的标定板，利用激光位移计确定测量点q的末端坐标位置；

步骤三，构建平面方程，用最小二乘法优化平面方程系数；

步骤四，对标定系统安装误差和机械臂模型误差参数进行优化求解。

进一步地，所述步骤一的具体步骤如下：