Staubli工业机器人标定算法和实验研究

摘要

工业机器人精度是描述机器人性能的一项重要指标。目前，机器人的重复定位精度已经达到相当高的水平，可以保证在0.1mm以下，而机器人的绝对定位精度却比较低，而且每台机器人的差别都很大，通常达到mm甚至cm量级。随着离线编程技术在机器人中的广泛应用，提高机器人绝对定位精度已成为机器人技术领域内急需解决的问题。
　　本文以StaubliTX60L型机器人为研究对象，采用运动学标定方法，应用LeicaAT901激光跟踪测量系统和基于微分模型的参数辨识方法识别出了该机器人的准确的DH运动学参数。主要研究内容和结论如下:
　　1)针对工业机器人标定问题，结合StaubliTX60L机器人的实际机构特点，运用经典的DH建模方法对各关节建立连杆坐标系，获得了该机器人的名义DH运动学参数。在此基础上进行了机器人运动学正解的详细推导及求解，并运用Matlab软件编写人机界面进行运动学模型的仿真求解，进而验证了所编写的正运动学算法与CS8C控制器中的算法是一致的。
　　2)除了考虑机器人本身的误差，本文提出了加入测量系统构造的机器人基坐标系与真实基坐标系不重合所引入的额外偏差，使模型更加完整。然后结合利于机器人标定的MDH运动学模型，用微分法推导出了机器人的线性误差方程。通过对误差方程进行仿真求解，验证了所建立的机器人标定误差模型的可行性。
　　3)通过对辨识雅克比矩阵进行QR分解，确定了28项可辨识参数。采用O1作为观测性指数，利用DETMAX算法对候选的测量位姿进行筛选，获得了最优测量位姿组。对于误差参数的辨识，采用了加权的Levenberg-Marquardt算法，并根据算法流程图编写了Matlab求解程序。
　　4)利用激光跟踪仪进行了标定实验，通过对测点的数据进行分析和处理，得到了名义参数的偏差值，并将其补偿到机器人控制器中。通过对补偿前后位姿误差的对比，发现机器人的位置平均误差从1.65mm下降到了0.28mm，姿态平均误差从0.692°下降到了0.067°，表明该方法可以有效提高机器人的绝对定位精度。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．1．1 重复定位精度和绝对定位精度

1．1．2 离线编程

1．1．3 误差源分析

1．2 机器人标定技术研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 机器人运动学建模

2．1 Staubli TX60L型机器人简介

2．2 经典的DH建模方法

2．3 Staubli TX60L机器人运动学建模

2．4 仿真验证

2．5 本章小结

第三章 机器人运动学误差模型

3．1 引言

3．2 MDH建模方法

3．3 机器人微分运动学模型

3．3．1 微分平移和微分旋转

3．3．2 坐标系间微分变换的等价变换

3．4 相邻连杆间位姿误差

3．5 机器人运动学误差模型

3．6 仿真验证

3．7 本章小结

第四章 运动学参数辨识方法

4．1 引言

4．2 误差方程求解算法

4．2．1 普通最小二乘法

4．2．2 Levenberg-Marquardt算法

4．3 参数辨识性

4．3．1 可辨识参数确定

4．3．2 权矩阵

4．4 测量位姿选择

4．4．1 观测性指数

4．4．2 基于DETMAX算法的最优测量位姿选择

4．5 计算机仿真标定

4．6 本章小结

第五章 标定实验与分析

5．1 引言

5．2 激光跟踪仪测量系统简介

5．3 运动学标定实验

5．3．1 工具坐标系标定

5．3．2 机器人基坐标系构造

5．3．3 机器人编程

5．3．4 标定前末端位姿测量

5．3．5 运动学参数辨识和误差补偿

5．3．6 标定后末端位姿误差验证

5．3．7 距离精度验证

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录1 前20个测点标定前的名义坐标、实际坐标以及位姿误差

附录2 前20个测点标定后的名义坐标、实际坐标以及位姿误差

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果