[发明专利]一种基于倾角约束的Stewart并联机器人运动学标定方法

说明书

技术领域：

本发明属于自动化领域，涉及一种Stewart并联机器人运动学标定方法，特别涉及一种基于倾角约束的标定方法。

背景技术：

Stewart并联机器人具有结构刚性高、承载能力强、动态性能好以及累积误差小等优点，在工业生产、科学研究以及生活服务等领域得到了广泛应用。运动精度是衡量并联机器人工作性能的一项重要指标，它受到机器人零部件制造与安装误差、控制误差、关节和铰链间隙、热变形以及振动等诸多因素的综合影响。其中，零部件的制造与安装误差是影响并联机器人运动末端位姿(位置和姿态)精度的最主要因素，可以通过运动学标定的方法进行辨识和补偿。

运动学标定的基本原理是：依据实际检测信息和理想模型输出之间的差异构造误差泛函，利用一定的数学方法辨识并联机器人的实际几何参数，并通过修改控制软件中的模型名义值达到精度补偿的目的。完整的运动学标定过程通常包含测量、建模、辨识和补偿四个步骤。根据测量过程的特点可以将现有的标定方法分为外标定方法和自标定方法两大类。外标定方法需要使用外部观测设备直接或者间接的量测并联机器人运动平台的全部或者部分位姿信息，然后基于测量值与模型计算值之间的残差构造目标函数，通过最小化目标函数来建立标定模型。这种标定方法具有原理简单、可行性强、标定效果好等优点。然而，获取高精度的空间刚体位姿信息非常困难，所需测量设备通常代价昂贵且量测过程复杂。自标定方法避免了检测并联机器人运动末端位姿信息的困难，通常基于机器人内部运动信息或者利用机械锁定装置施加运动约束来建立标定模型。相对于传统的外标定方法，此类方法具有测量过程简单、经济性好以及便于实现精度在线补偿等优点。然而，在并联机器人被动关节铰链上安装冗余传感器来获取内部运动信息并非易事，需要在机器人的设计阶段预先考虑，无法适用于已经建造成型的机器人设备，而且尚需考虑冗余传感器的安装对被动关节机械强度的影响。利用机械锁定装置施加运动约束将减少并联机器人末端运动自由度，要求机器人驱动关节具有被动运行并提供运动量测量的能力，因而无法适用于众多以“电机+滚珠丝杠”方式驱动的并联机器人。同时，使用机械锁定装置将极大的减小并联机器人原本狭小的工作空间，使得标定测量位形的选择空间受限，不利于充分激励机器人的结构特性。此外，在标定过程中依靠机械锁定装置来实现运动约束，容易在构件之间产生杠杆效应而引起形变，轻者影响标定结果的准确性，严重时还可能破坏相对“脆弱”的被动关节铰链。

发明内容：

本申请的发明在综合分析比较现有运动学标定方法优缺点的基础上，提出了一种利用伺服调节方式实现倾角恒定约束的Stewart并联机器人运动学标定方法。它避免了精确测量并联机器人运动末端位姿信息的困难，克服了依靠机械锁定装置实现运动约束的诸多缺陷，充分利用了常规测量仪器重复精度优于位置精度的特点，标定效果不依赖于测量仪器的位置精度，标定和测量过程自动化程度高。

本发明采用以下技术方案予以实现：一种基于倾角约束的Stewart并联机器人运动学标定方法，包括以下步骤：

步骤(1)构造运动约束：可以从并联机器人内部运动变量(包括固定平台和运动平台上安装的被动关节转角等)和末端运动轨迹两方面来构造运动约束。本发明基于后者考虑，提出了一种新型的运动约束——倾角恒定约束，其基本思想可以表述为：在标定过程中选取多组测量位形，在属于同一组的各个测量位形处，保持运动平台相对大地水平面的两个倾角恒定；而在不同组的测量位形之间，使得相应的倾角值不相同。令α_x′和α_y′表示并联机器人运动平台相对水平面的两个倾角，则倾角恒定约束的数学描述为：