基于粒度模型的scara機(jī)器人精準(zhǔn)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及SCARA機(jī)器人絕對定位精度領(lǐng)域，具體是指通過視覺傳感器捕獲到期 望點(diǎn)坐標(biāo)位置并驅(qū)動SCARA機(jī)器人末端第一次運(yùn)動到此點(diǎn)，實際位置點(diǎn)和期望點(diǎn)有偏差， 針對減少偏差提出有效的誤差補(bǔ)償策略，提高機(jī)器人的絕對定位精度。
【背景技術(shù)】
[0002] SCARA機(jī)器人在平面上的定位取決于軸1和軸2的共同作用。決定SCARA機(jī)器人 性能指標(biāo)分別是：機(jī)器人的重復(fù)定位精度、系統(tǒng)的絕對定位精度。許多工業(yè)機(jī)器人本體重復(fù) 定位精度為20 y m左右，但是系統(tǒng)的絕對定位精度一般為1-3_。
[0003] 影響SCARA機(jī)器人絕對定位精度的因素很多，且最終的絕對定位精度又是由多種 因素共同作用的結(jié)果?，F(xiàn)有的提高機(jī)器人定位精度的研宄方法也稱為機(jī)器人標(biāo)定。機(jī)器人 標(biāo)定可以分為機(jī)器人運(yùn)動學(xué)標(biāo)定和機(jī)器人非運(yùn)動學(xué)標(biāo)定。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)標(biāo)定一般分為四個 步驟：建模、測量、參數(shù)辨識、誤差補(bǔ)償。傳統(tǒng)的機(jī)器人標(biāo)定方法需要建立復(fù)雜的運(yùn)動學(xué)模型 且側(cè)重考慮幾何參數(shù)帶來的主要影響，即偏重標(biāo)定的前三個步驟。誤差補(bǔ)償是機(jī)器人標(biāo)定 中的最后一個步驟，當(dāng)辨識出運(yùn)動學(xué)參數(shù)后，需要附加一定的控制算法或者修改機(jī)器人原 有的控制系統(tǒng)參數(shù)來提高機(jī)器人的絕對定位精度。誤差補(bǔ)償方法可以分為如下幾類：基于 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法、基于插補(bǔ)思想補(bǔ)償法、微分誤差補(bǔ)償法、關(guān)節(jié)空間補(bǔ)償法；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 補(bǔ)償法解決了選擇誤差模型的困難，但是訓(xùn)練樣本集需要大量的測量工作。基于插補(bǔ)思想 補(bǔ)償法插補(bǔ)方式的選擇帶有一定的偶然性，依賴工程師的實際經(jīng)驗，工業(yè)適應(yīng)性不強(qiáng)。微分 誤差補(bǔ)償法需要測量幾何參數(shù)微小偏差，這對測量儀器精度要求過高，測量的結(jié)果與環(huán)境 的變化以及操作者的操作水平有較大依賴。傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)空間補(bǔ)償法只能針對一種固定情況 下提高定位精度，某一環(huán)節(jié)由外部帶來的干擾，沒有很好的抑制作用。
[0004] 對于視覺伺服SCARA控制系統(tǒng)而言，從圖像中獲取到期望點(diǎn)的圖像坐標(biāo)通過坐標(biāo) 變換成機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的角度，按照變換后的關(guān)節(jié)空間的角度驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動，但是由于 標(biāo)定（相機(jī)坐標(biāo)與機(jī)器人基坐標(biāo)關(guān)系）帶來的誤差，會使實際點(diǎn)和期望點(diǎn)有不可消除的偏 差。以縮小這種偏差為目的，希望設(shè)計一種工業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)、控制效果明顯、位姿調(diào)整次數(shù)明 確的誤差補(bǔ)償控制策略，使機(jī)器人明確具體的補(bǔ)償量，從而使實際點(diǎn)的位置越來越趨近期 望點(diǎn)的位置。從而整體上提高SCARA機(jī)器人的絕對定位精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對SCARA視覺伺服控制系統(tǒng)在通過視覺傳感器得到期望點(diǎn)的坐標(biāo)，驅(qū)動 SCARA機(jī)器人移動到期望點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)實際點(diǎn)和期望點(diǎn)有一定偏差。為了減小偏差，提出了一種 滿足提高SCARA機(jī)器人絕對定位精度的基于粒度模型結(jié)合最小距離誤差逼近的方法。
[0006] 為達(dá)到此目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：首先通過視覺傳感器得到期望點(diǎn)的圖像 坐標(biāo)，通過坐標(biāo)變換把期望點(diǎn)的圖像坐標(biāo)變換成笛卡爾空間坐標(biāo)，再通過變換把笛卡爾空 間坐標(biāo)變換成機(jī)器人關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)。根據(jù)求解出的關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動，根據(jù)實 際點(diǎn)與期望點(diǎn)坐標(biāo)位置關(guān)系確定起始粒度模型參數(shù)，計算模型四個粒度點(diǎn)與期望點(diǎn)的距離 誤差，選擇最小距離誤差的粒度點(diǎn)為下一步構(gòu)建可變參數(shù)粒度模型起始點(diǎn)。最后根據(jù)期望 點(diǎn)在粒度模型區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)位置，分情況的調(diào)整粒度模型參數(shù)，最終使得期望位置點(diǎn)與實 際位置點(diǎn)的距離偏差小于電機(jī)最小指令單位步長的距離，從而滿足機(jī)器人絕對定位精度的 要求。整個流程包括：確定模型起始粒度點(diǎn)的關(guān)節(jié)位置、確定起始粒度模型參數(shù)、設(shè)計基于 粒度模型位姿調(diào)整策略。
[0007] (1)根據(jù)SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特性，1軸和2軸決定機(jī)器人末端平面定位。構(gòu)建機(jī) 器人1軸和2軸簡化模型。
[0008] (2)由視覺傳感器得到期望點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)匕(&，^)，再由第一步所知的關(guān)節(jié)空 間坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到期望點(diǎn)的關(guān)節(jié)空間坐標(biāo) P(1( 0 1(1，0 2 (1)。
[0009] (3)由于標(biāo)定（相機(jī)坐標(biāo)與機(jī)器人基坐標(biāo)關(guān)系）過程中各種誤差的累積，實際點(diǎn) Pi(x'Q，y'和期望點(diǎn)Pjx。，％)在笛卡爾空間中存在距離偏差。但Pjx'Q，y'點(diǎn)的 實際關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)位置？:^^ 02)就是推導(dǎo)出的關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)PJ0U，02,。)， 因此把Pi ( 9 i，0 2)設(shè)定為粒度模型的初始點(diǎn)。
[0010] ⑷根據(jù)在笛卡爾空間中實際點(diǎn)Pi(x'Q，y'與期望點(diǎn)PQ(X(l，yQ)的位置偏差的 大小，確定起始粒度模型參數(shù)。
[0011] (5)計算模型四個粒度點(diǎn)與期望點(diǎn)的距離誤差，選擇最小距離誤差的粒度點(diǎn)為下 一步構(gòu)建可變參數(shù)粒度模型起始點(diǎn)。
[0012] (6)根據(jù)期望點(diǎn)在粒度模型區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)位置，設(shè)定具體的粒度模型參數(shù)調(diào)整策略， 使位置距離偏差越來越小，直到距離偏差小于電機(jī)的最小指令單位步長的距離。
[0013] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出了一種基于粒度模型結(jié)合最小誤差逼近原則提高 機(jī)器人絕對定位精度的方法。該方法以縮小實際點(diǎn)與期望點(diǎn)的距離誤差為目的，根據(jù)實際 點(diǎn)與期望點(diǎn)的位置關(guān)系，構(gòu)建起始粒度模型，期望點(diǎn)處于粒度模型范圍內(nèi)，保證了整體收斂 的有效性。計算每次模型粒度點(diǎn)與期望點(diǎn)之間的距離誤差，選擇最小距離誤差的粒度點(diǎn)為 下一次構(gòu)建模型的起始點(diǎn)，考慮期望點(diǎn)處于模型的具體位置，設(shè)定具體的模型參數(shù)調(diào)整策 略。此方法并不直接干預(yù)關(guān)節(jié)的閉環(huán)控制，而是類似一種監(jiān)管控制，這種控制策略，并不影 響機(jī)器人的重復(fù)定位精度，但是會影響機(jī)器人的絕對定位精度，使得SCARA機(jī)器人誤差大 的情況下實現(xiàn)快速收斂，在誤差小的情況下實現(xiàn)精確的定位。參數(shù)調(diào)節(jié)單一、并且工業(yè)應(yīng)用 性強(qiáng)、實時性強(qiáng)、移動次數(shù)和移動點(diǎn)的位置明確。
【附圖說明】
[0014] 圖1 SCARA機(jī)器人模型圖
[0015] 圖2 SCARA機(jī)器人1軸和2軸簡化結(jié)構(gòu)圖
[0016] 圖3改進(jìn)后的粒度模型圖
[0017] 圖4控制策略演示圖
[0018] 圖5PQ(xQ，yQ)點(diǎn)在外接圓圓心示意圖
[0019] 圖6PQ(xQ，yQ)點(diǎn)在模型結(jié)構(gòu)中心示意圖
[0020] 圖7算法流程圖
【具體實施方式】
[0021] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰明白，下面結(jié)合具體的實施案例，并 參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0022] 本發(fā)明的基本思路是：提出一種基于粒度模型結(jié)合最小距離誤差逼近原則的 SCARA機(jī)器人精準(zhǔn)定位方法，整個算法流程主要由構(gòu)建機(jī)器人1軸和2軸簡化模型、確定起 始粒度點(diǎn)關(guān)節(jié)位置、設(shè)定起始粒度模型參數(shù)、計算粒度點(diǎn)與期望點(diǎn)的距離誤差、確定粒度模 型參數(shù)調(diào)整策略。
[0023] 為了進(jìn)一步說明，具體實現(xiàn)步驟為：
[0024] (1)構(gòu)建機(jī)器人1軸和2軸簡化模型。
[0025] 附圖1為SCARA機(jī)器人模型圖，SCARA機(jī)器人平面上定位取決于1軸0 1與2軸 02的共同作用。決定定位精度的控制量是關(guān)節(jié)角度（0 i，02)
[0026] 02=nA2 (1)
[0027] 其中，m、n為系數(shù)，Ap A2分別為電機(jī)1和電機(jī)2的指令最小單位。
[0028] 附圖2為SCARA機(jī)器人1軸和2軸簡化結(jié)構(gòu)圖。運(yùn)用正運(yùn)動學(xué)函數(shù)可以由關(guān)節(jié)空 間位置，計算出笛卡爾空間位置：
[0029] (x, y) = f ( 0 0 2) (2)
[0030] 同樣易知：（dx，dy)T= J( 9 " 92) X [d9 p d92]T (3)
[0031] 把SCARA機(jī)器人1軸和2軸簡化后，其正運(yùn)動學(xué)為：
[0035] 則對比公式（2)、（4)得到其雅克比矩陣
[0037] (2)確定起始粒度點(diǎn)關(guān)節(jié)位置。
[0038] 通過視覺傳感器得到期望點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，由坐標(biāo)變換得到期望點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo) P〇(X〇, y0)，再通過坐標(biāo)變換得到期望點(diǎn)的關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)PoOu，02,〇)，驅(qū)動機(jī)器人前往 P〇( 9 U。，92,〇)點(diǎn)，然而實際點(diǎn)Pi(x' 〇, y' 〇)和期望點(diǎn)PQ(xQ，yQ)在笛卡爾空間中的位置 存在距離偏差。但是Pjx' J點(diǎn)的關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)位置？ 1(01，02)就是40^，％)推 導(dǎo)出的關(guān)節(jié)控制位置PoPu，％,〇)，因此把％)設(shè)定為粒度模型的初始點(diǎn)。
[0039] (3)設(shè)定起始粒度模型參數(shù)。
[0040] 粒度模型（Granular Stochastic Modeling)由粒度點(diǎn)、重復(fù)定位精度、電機(jī)指令 單位關(guān)節(jié)度數(shù)三部分組成。粒度模型有四個粒度點(diǎn)，每個粒度點(diǎn)代表機(jī)器人末端關(guān)節(jié)空間 位置點(diǎn)。由于重復(fù)定位精度的影響，機(jī)器人重復(fù)多次到達(dá)同一個粒度點(diǎn)，多次到達(dá)的實際點(diǎn) 分布情況會形成以粒度點(diǎn)為圓心的一個近似圓，圓的半徑為重復(fù)定位精度。每個粒度點(diǎn)之 間的關(guān)節(jié)空間的間距只相差一個電機(jī)指令單位關(guān)節(jié)度數(shù)~或△ 2。附圖3為改進(jìn)后的粒 度模型圖。該初始模型由四個粒度點(diǎn)Pi、p2、p3、p4組成。其相鄰粒度點(diǎn)在關(guān)節(jié)空間中的間 距分別是kAi或者kA 2，其中k為系數(shù)。且每一個粒度點(diǎn)同時也是以機(jī)器人重復(fù)定位精度 為半徑圓的圓心點(diǎn)。為了保證期望點(diǎn)處于構(gòu)建的粒度模型區(qū)域內(nèi)，且構(gòu)建的粒度點(diǎn)之間的 間距符合1-3_的機(jī)器人絕對定位精度的指標(biāo)，因此選取k = 16。則根據(jù)（5