基于激光测距传感器与标准样板的急切人几何参数标定
基于激光测距传感器与标准样板的急切人几何参数标定
作者:厉志飞;陈刚;赵建峰;徐志玲;
随着机器人的应用越来越广泛,企业对机器人性能的要求也越来越高。而定位精度是影响机器人性能的重要指标,目前市场上工业机器人的重复定位精度普遍很高(可达0.01mm),但它的绝对定位精度很低(大约几毫米)。埋进去看大部分的机器人标定都是通过末端位置测量来完成的。Spiess用激光测距传感器对puma机器人进行了非接触动态测量,Newman利用激光跟踪仪对Montoman P8进行了标定,以上的设备都能完成机器人的末端位置测量,但由于其价格昂贵,很多小型公司无法承担,为此本文提出了一种利用激光测距传感器和标准样板结合的机器人绝对定位精度监测系统。
1、末端执行器与标准样板设计
试验中需要保证机器人末端安装有三个位移传感器且有一个传感器的光点从机器人末端法兰盘中心点出射,按照此要求设计了末端执行器。
激光测距传感器具体读数情况为:前200mm没有示数,后续200-800mm有示数,其中在600mm时读数为0,显示方式为400-0mm~-400mm,即当示数盒读数为100mm时,实际读数为500mm。对于标准样板配备了电动平移台、电动升降台、电动旋转台,每个工作台都安装有57个步进电机,标准样板正面为边长1m的正方形,并按边长10mm划分了10000个小正方形。设置电动平移台、电动升降台的单位运动距离为0.5mm,电动旋转台的单位转动角度为0.1°。
2、样板坐标系与机器人基坐标系的标定
o1为机器人基坐标系,o2为样板坐标系,样板安装有三个电机,分别控制其旋转、平移、升降,E为机器人末端中心点。通过机器人控制柜调整五轴的角度为90°,其余五个轴的角度设为0°(即三个激光位移传感器的出射光线垂直于平面O1Y1Z1)。ABC为三个安装在机器人末端的激光位移传感器,T0,T1,T2为三个激光位移传感器在样板上的光点,在不考虑安装误差的情况下,平面ABC是平行与平面O1Y1Z1的,此时,调节样板上的旋转电机,易知,当三个传感器读数一致时,平面ABC平行于样板平面,即样板平面平行于平面O1Y1Z1。对于末端执行器的设计保证了B传感器的出射光线与六轴所在平面的法向量在同一条直线上,T0为B传感器在样板的光点,D2为B传感器的读数,D1为机器人末端到传感器光线出射点之间的距离,D0位机器人在X轴方向上的连杆长度,D3为Z轴方向上的连杆长度。调节样板的上下位移点击和水平位移电机,使T0位移样板网格的交点上。将O1设为笛卡尔坐标系的原点,以O1所在坐标系的XYZ正方向为正方向,即O1(0,0,0),E(D0,0,0),B(D0+D1,0,0),T0(D2+D1+D0,0,0).由于第一步标定了样板平面与基坐标系的O1Y1Z1平面平行(即样板上坐标点的X坐标全部相同),在已知T0点坐标的情况下,可将样板上面所有的网格点的坐标表示到机器人基坐标系O1下,即完成了样板坐标系与机器人基坐标系的标定。
3、机器人末端实际坐标的检测
在电脑的控制软件上输入机器人关节角的运动指令,定机器人运动指令完成后,在样板上找到传感器B的出射光线光电的位置,再调节样板水平和垂直点击(样板的水平和垂直位移移动的最小单位为0.5mm),使光点的位置移动到网格的交点处(为了更准确的读取光点在样板上的坐标),记录样板水平和垂直位移的距离。此时采样点与初始点之间的距离,可根据他们中间相差的网格数来确定,利用T0点的Z轴坐标加上或减去样板上下偏移的距离,获得采样点末端实际Z轴的坐标;由初始点T0的X轴坐标减去激光位移传感器的读数D2和末端工装装置长度D1,即为采样点实际机器人末端的X轴坐标;Y轴的坐标为光电水平方向与出事点的距离。从而就能得到E机器人末端中心点在机器人基坐标系下的实际空间坐标,实现对机器人末端位置的检测。
4、实验验证
新松SR4C工业机器人在关节角为(0,0,0,0,90,0)时,Z轴方向上的连杆参数为D3=330+70+315=715mm,在X轴方向上的连杆参数为D0=310+70+40=420mm,位移传感器B的读数为23.5mm。对于末端工装装置,在三坐标测量机上对其尺寸进行测量,精确得到装置一端中心点到另一端中心点之间的距离为D1=150.3mm。通过以上数值我们可以得到样板参考在机器人基坐标系下的坐标为(1193.8,0.0,715.0)。
具体步骤如下:
1)受限选取关节角为(0,0,30,0,60,0)的坐标点为第一个采样点,在电脑的控制软件上输入机器人关节角的运动指令通过机器人控制柜将机器人移动到此位置。
2)将从机器人末端中心点出射的光电位置通过平移和升降电机移动到最近的网格点,在此位置上,通过向右移动8格,上下移动0格,达到网格点,电机的最小移动单位为0.5mm,即向右移动了8*0.5=4mm,上下为0.00mm。
3)记录此时光点在样板上的位置距离初始点便宜的位置,在此位置上,位移传感器B的光电向右移动了一格,向上移动了15格,由于网格点的边长为10mm,即光点向右移动了10.00mm,向上移动了150.00mm。
4)记录激光位移传感器的读数为-99.4mm,即
X坐标为:1193.8-699.4-150.3=344.1mm;
Y坐标为:-10+4.0=-6.0mm;
Z坐标为:715.00+150.00=865.0mm;
即此时T0(344.1,-6.0,865.0)
5)记录下关节角与实际坐标值。
6)选取不同的采样点,进行20组实验,记录每个采样点的关节角与实际坐标。
7)一轴分比为90°、-90°的情况下各选取15个点进行试验,记录采样点的关节角与实际坐标。(由于在一轴为90°、-90°情况下实验检测原理方法与一轴为0°时完全相同,在此不再具体描述)
5、参数辨识与补偿验证
在已经名义关节角和对应的实际坐标情况下,我们通过迭代的最小二乘法求解误差方程(我们在程序中添加了机器人正运动学的求解过程,即在倒入响应机器人运动学模型的情况下,只需要输入理论关节角和对应的实际坐标就可以进行最小二乘法参数辨识)。利用MATLAB软件编写最小二乘法辨识程序,将名义关节角和对应的实际坐标作为输入,得到辨识后的D-H参数。
根据最小二乘法辨识结果,将新的D-H参数更新到机器人控制柜中,以国标14项中的距离准确度和重复性验证标定后机器人的效果,结果表明距离准确度(AD)从补偿前的-1.947mm下降到了-1.651mm,而距离重复性则变化不大,由0.096mm下降到了0.091mm,从以上补偿前后测量结果来看,D-H参数补偿后距离准确度(D)误差有明显减小,距离重复性则变化不大。
6、结论
本文利用激光位移传感器结合标准样板搭建了实验平台,设计了一套末端执行器,在不同的位置上共进行了50点的位置测量,利用最小二乘法辨识其运动学参数,将辨识后的D-H参数修改进机器人控制柜中,最后利用国标14相中的距离准确度和重复性验证标定后机器人的效果,证明了该测量方法的可行性,有条件在工程实际中推广。
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