[发明专利]基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿系统和方法

权利要求书

1.一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿方法，其特征在于：采用工业机器人轨迹精度补偿系统，包括轨迹修正补偿系统(1)、测量设备(2)和工业机器人(3)；

测量设备(2)具有与外部通信的测量底层接口(8)，工业机器人(3)包括相连接的机器人本体(7)和机器人控制器(6)，轨迹修正补偿系统(1)包括轨迹控制模块(4)、机器人互联接口(5)、测量互联接口(9)、轨迹偏差计算模块(10)、参数辨识模块(11)、补偿控制模块(12)和精度评价模块(13)；

机器人互联接口(5)、测量互联接口(9)分别和机器人控制器(6)、测量底层接口(8)通信连接，机器人互联接口(5)和测量互联接口(9)均连接到轨迹偏差计算模块(10)的输入端，轨迹偏差计算模块(10)的输出端分别连接参数辨识模块(11)和精度评价模块(13)，参数辨识模块(11)的输出端经补偿控制模块(12)连接到机器人互联接口(5)，同时轨迹控制模块(4)单独连接到机器人互联接口(5)；

所述的轨迹修正补偿系统(1)通过测量互联接口(9)与测量设备(2)的测量底层接口(8)通信控制，轨迹修正补偿系统(1)通过测量互联接口(9)发送命令控制测量设备(2)的工作，轨迹偏差计算模块(10)通过测量互联接口(9)获取测量设备(2)测得的实际运动轨迹数据；轨迹修正补偿系统(1)通过机器人互联接口(5)与待修正补偿机器人本体(7)的机器人控制器(6)通信控制，轨迹控制模块(4)通过机器人互联接口(5)向机器人控制器(6)发送机器人本体(7)运动轨迹数据，由机器人控制器(6)控制机器人本体(7)沿着规划的轨迹运动，同时测量设备(2)动态跟踪并实时测量工业机器人(3)的运动轨迹；轨迹偏差计算模块(10)通过机器人互联接口(5)获取待修正补偿机器人本体(7)的机器人控制器(6)当前实际控制中的规划运动轨迹数据；

所述的轨迹偏差计算模块(10)结合当前实际控制中的规划运动轨迹数据和测量设备(2)测得的实际运动轨迹数据进行处理获得轨迹偏差数据并发送到精度评价模块(13)；

方法步骤包括：

开始时，轨迹修正补偿系统(1)中的轨迹控制模块(4)通过机器人互联接口(5)向工业机器人(3)的机器人控制器(6)发送控制命令，控制机器人本体(7)沿着规划的轨迹运动；

在测量设备(2)处于工作状态时，测量设备(2)动态采集工业机器人(3)的实际运动轨迹数据，并将轨迹数据通过测量底层接口(8)、测量互联接口(9)实时发送给轨迹修正补偿系统(1)的轨迹偏差计算模块(10)，同时的机器人控制器(6)通过机器人互联接口(5)向轨迹偏差计算模块(10)实时发送当前实际控制中的规划运动轨迹数据；

轨迹偏差计算模块(10)接收到工业机器人(3)的当前实际控制中的规划运动轨迹数据和实际运动轨迹数据进行分析处理得到轨迹偏差数据，然后经运动学模型参数辨识模块(11)处理后辨识出模型参数误差，再通过补偿控制模块(12)将模型参数误差经机器人互联接口(5)补偿到工业机器人(3)的机器人控制器(6)中，使得机器人控制器(6)控制机器人本体(7)沿着规划运动轨迹数据的轨迹运动；

所述轨迹偏差计算模块(10)中的分析处理具体为：

1)工业机器人(3)末端的轨迹偏差ΔS计算为：

ΔS＝F(a+δa,d+δd,α+δα,θ+δθ)-F(a,d,a,θ)

其中，F()表示工业机器人(3)末端的运动轨迹运动学模型参数函数，a为工业机器人(3)的机器人本体(7)中相邻关节间的连杆长度，d为工业机器人(3)的机器人本体(7)中相邻关节间的关节偏距，α为工业机器人(3)的机器人本体(7)中相邻关节间的连杆扭角，θ为工业机器人(3)的机器人本体(7)中相邻关节间的关节转角，δa、δd、δα、δθ分别为对应于连杆长度a，关节偏距d，连杆扭角α，关节转角θ的误差值；

2)同时工业机器人末端所需位置与实际位置之间的距离偏差为：

其中，表示距离偏差，E()为期望值函数，J_im为测量设备(2)实时采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的第i个采样点的雅可比矩阵；Δδ为工业机器人(3)的运动学模型参数误差，T表示矩阵转置；

3)机器人运动学模型参数误差Δδ的无偏估计量为Δδ'，即E(Δδ)＝Δδ'，运动学模型参数误差的协方差矩阵为：

其中，i＝1,2,3…m，m为测量设备(2)实时采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的采样点的总个数，i为测量设备(2)实时采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的采样点的序数，J_im为测量设备(2)实时采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的第i个采样点的雅可比矩阵；cov()表示模型参数误差的协方差；

4)将运动学模型参数误差的协方差矩阵代入工业机器人末端所需位置与实际位置之间距离公式得：

其中，tr表示矩阵轨迹函数，J_0m为初始时刻测量设备(2)采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的采样点的雅可比矩阵；

5)使用运动轨迹中m个测量点距离偏差的均值作为轨迹偏差ΔS，建立以下工业机器人轨迹偏差模型：

其中，J_δ为轨迹偏差辨识的雅可比矩阵，δ_n为所需辨识的机器人运动学参数，机器人运动学参数误差δ_n包括工业机器人(3)中第n个关节的连杆长度a_n、连杆扭角α_n、关节转角θ_n与关节偏距d_n；

6)以所需位置点与实际位置点的最大轨迹偏差为最小建立以下目标函数：

其中，K_min为最大轨迹偏差的最小值；

7)利用轨迹偏差数据，通过模型参数辨识模块(11)对目标函数进行迭代求解，迭代终止条件为：K_min达到最小且保持恒定不变；当迭代条件满足时，以最终获得的包含机器人每个关节相邻关节间的连杆长度a、相邻关节间的关节偏距d、相邻关节间的连杆扭角α和相邻关节间的关节转角θ的机器人最优运动学模型参数作为辨识出的工业机器人(3)的实际运动学模型参数；

8)然后将辨识出的工业机器人(3)的实际运动学模型参数，通过补偿控制模块(12)、机器人互联接口(5)发送到机器人控制器(6)中，替换机器人控制器(6)中原来存在误差的运动学模型参数，完成机器人运动学参数误差的补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿方法，其特征在于：所述的精度评价模块(13)利用轨迹偏差计算模块(10)计算出的轨迹偏差数据，分析获得被标定的工业机器人(3)的运动轨迹精度，并判断补偿后的工业机器人(3)的运动轨迹精度是否达到预设精度要求：如果达到预设精度要求，则停止标定，控制轨迹偏差计算模块(10)停止工作；如果未达到预设精度要求，则继续进行标定过程。