[发明专利]一种3RPS并联机器人几何参数辨识方法

说明书

本发明提供一种3RPS并联机器人几何参数辨识方法，属于工业机器人的标定技术领域。构建与静平台相固联的工作参考系B‑xyz及与动平台相固联的局部参考系P‑x'y'z'，构建以双轴倾角仪为测量仪器的标定坐标系O‑uvw，规划测量位形，构建参数辨识方程组相容的约束方程组；以MATLAB为工具解算待辨识参数值。本发明不仅避免了对动平台位姿信息全集的测量，且充分发挥了双轴倾角仪对动平台绕x、y轴转角的测量精度与其安装位置精度无关这一特点，降低了参数辨识精度对测量仪器安装位置的精度的依赖性。

技术领域

本发明属于工业机器人的标定技术领域，具体涉及一种3RPS并联机器人的几何参数辨识方法。

背景技术

与传统串联机器人相比，由于并联机器人具有刚度重量比大，响应速度快、无末端误差累积等优点，所以在当今科学研究、工业生产等领域中，后者得到了广泛的研究与应用。继六自由度并联机器人的研究热潮之后，由于少自由度并联机器人相较于六自由度并联机器人具有结构简单，及控制算法简便等特点，因此日渐成为国际机构混联机床和机器人领域的研究热点，其中以三自由度的3RPS并联机构作为少自由度并联机构的典型代表。

运动精度作为衡量所有机器人工作性能的一项重要指标，在众多影响3RPS并联机器人末端动平台的位姿精度的误差源中，由零部件制造、装配引起的几何误差源是影响其运动精度的主要原因。运动学标定是提高并联机器人末端运动精度最为有效、经济的方式，而3RPS并联机器人运动学标定的核心内容在于如何准确、高效地实现对其实际几何参数的辨识过程。

几何参数辨识的基本原理在于：依据辨识模型中理想参数与实际检测参数之间的残差构建误差泛函，即参数辨识方程组，进而由辨识方程组解算出实际几何参数值。根据检测方法的不同可将标定方法分为自标定及外标定方法两大类。

自标定方法：通过在3RPS并联机器人被动关节铰链处安装冗余传感器以获取被动关节运动参数，依据该检测参数与理想参数之间的残差建立辨识方程组，进而以该方程组的极小范数解作为参数辨识结果。该方法避免了对动平台位姿信息的直接检测，具有易于实现运动误差的在线补偿等优点。然而冗余传感器的安装位置通常需要在设计阶段予以考虑，故无法适用于已生产成型的设备。

外标定方法：通过外部检测仪器直接或间接地测量并联机器人动平台全部或部分位姿参数，进而依据实际测量参数和理想正解间的残差构造参数辨识方程组，进而以该方程组的极小范数解作为几何参数的辨识结果。该类标定方法具有原理简单、标定效果好等优点，然而要想直接获取高精度的空间刚体的位姿信息是非常困难的。

以激光追踪仪直接测量3RPS并联机器人末端位姿为代表的外标定方法，尽管可以直接、有效地获取动平台的位姿信息，但是高昂的设备费用及复杂的检测过程使得大多数中、小型企业望而却步。

以双球杆仪间接测量3RPS并联机器人动平台位姿信息的外标定方法，尽管有效地避免了对动平台位姿信息的直接测量，但是由于双球杆仪自身结构的局限性，使得其可检测空间受到了较大限制，因此需要通过静磁座的多个安装位置来扩大检测范围，该过程不仅人为的增加了参数辨识过程的复杂性，而且加剧了参数辨识效果对静磁座的安装位置精度的依赖性。

由于并联机器人在其参考坐标系中沿、绕任意坐标轴的运动，为关节空间所有伺服运动的非线性映射。该性质决定了所有几何参数的误差源均可反映到末端位姿误差中的任一分量中。因此可以认为仅检测3RPS并联机器人动平台的部分位姿误差，便可辨识出系统的全部几何参数。

为突破自标定方法应用的局限性，及尽可能的降低辨识结果对测量仪器安装精度的依赖性，结合3RPS并联机器人结构特点，提出以双轴倾角仪为测量仪器，通过在各规划位形下检测动平台绕x、y轴的实际转角信息与理论转角信息之间的残差构建参数辨识方程组，进而实现3RPS并联机器人的参数辨识。