專利名稱：并聯(lián)機(jī)器人自標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，特別是并聯(lián)機(jī)器人自標(biāo)定的方法。
背景技術(shù)：
并聯(lián)機(jī)器人為多環(huán)閉鏈機(jī)構(gòu)且各運(yùn)動(dòng)鏈和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副為空間布置，結(jié)構(gòu)參數(shù)較多且檢測困難，故并聯(lián)機(jī)器人的標(biāo)定比傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人要復(fù)雜的多。并聯(lián)機(jī)器人標(biāo)定的難點(diǎn)在于其動(dòng)平臺(tái)位姿信息及各分支初始桿長的獲得。無論采用何種標(biāo)定方法，均需對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行全部或部分測量。目前對(duì)并聯(lián)機(jī)器人基本是采用外部標(biāo)定的方法， 該外部標(biāo)定需借助精密的外部測量設(shè)備進(jìn)行測試，標(biāo)定時(shí)在某一指定的設(shè)備所處位置應(yīng)當(dāng)盡可能檢測到所有的測量點(diǎn)，否則就需要轉(zhuǎn)站或增加測量設(shè)備，而這將提高測量成本、降低測量精度及工作效率。對(duì)于待標(biāo)定設(shè)備，特別是高空作業(yè)設(shè)備，因其測試距離遠(yuǎn)，測量設(shè)備的布站將十分困難，并且這些儀器安裝條件較為苛刻，在應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，耗時(shí)長，對(duì)操作要求高，應(yīng)用不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于在保證機(jī)械結(jié)構(gòu)基本不變的前提下，有機(jī)結(jié)合并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，提供一種幾乎不對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)增添約束的成本低廉、操作簡便、效率高、不受距離限制、測量精度高的并聯(lián)機(jī)器人自標(biāo)定方法。本發(fā)明主要是
Φ在并聯(lián)機(jī)器人6個(gè)驅(qū)動(dòng)分支移動(dòng)副上安裝位移傳感器，如光柵尺或磁致伸縮位移傳
感器；在并聯(lián)機(jī)器人定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間增設(shè)N個(gè)測量分支(A，Iv…，Λ)，其兩端分別與定、動(dòng)平臺(tái)固結(jié)，每個(gè)分支上安裝有一拉繩傳感器；
對(duì)應(yīng)任一特定位姿，由并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)理論，可建立6個(gè)驅(qū)動(dòng)分支和N個(gè)測量分支的反
解方程，即可建立(6+Ν)個(gè)獨(dú)立的顯式方程，而方程中未知數(shù)包括動(dòng)平臺(tái)6個(gè)位姿參數(shù)以及 (6+Ν)個(gè)分支桿長，共計(jì)(12+Ν)個(gè)未知參數(shù)；
③在不考慮其它機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)誤差(如各鉸點(diǎn)位置誤差)的情況下，以任一位姿為初始狀
態(tài)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人變換位姿，則對(duì)應(yīng)新位姿，又可建立(6+Ν)個(gè)方程，此次驅(qū)動(dòng)分支變化量可由安裝于其上的位移傳感器獲得，測量分支變化量可由拉繩傳感器獲得，即僅新增6個(gè)位姿參數(shù)，則此時(shí)方程總數(shù)為2Χ (6+Ν)，而未知量數(shù)目為(18+Ν)；
驅(qū)動(dòng)機(jī)器人再次變換一新位姿，同理，又可建立(6+Ν)個(gè)方程，新增6個(gè)位姿參數(shù)； 以此類推，假設(shè)變換新位姿η次，則共可建立方程(6+Ν) X (η+1)個(gè)，而未知參數(shù)為
(12+Ν+6Π)個(gè)，因此，當(dāng)方程數(shù)大于等于未知參數(shù)數(shù)目時(shí)，即當(dāng)(6+Ν) X (η+1)彡(12+Ν+6η) 時(shí)，方程可解，則可以求得任意狀態(tài)動(dòng)平臺(tái)位姿及機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)誤差，即能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自標(biāo)定。進(jìn)一步，若需考慮更多的機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)誤差，則通過增加動(dòng)平臺(tái)位姿變化次數(shù)，可以建立足夠的方程來求解未知參數(shù)。與此同時(shí)，方程數(shù)目的增加可能導(dǎo)致數(shù)值求解的難度加大，但對(duì)于同等數(shù)目的待辨識(shí)機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)，增加拉繩傳感器的數(shù)目，將減少所需的動(dòng)平臺(tái)位姿變化次數(shù)，所建立的方程總數(shù)也會(huì)減少，數(shù)值求解的難度自然隨之降低。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、在并聯(lián)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)分支安裝位移傳感器，在定、動(dòng)平臺(tái)間增設(shè)安裝一定數(shù)量的拉繩傳感器，僅通過簡單的、有限次動(dòng)平臺(tái)位姿的變換，無需已知初始桿長，由傳感器位移相對(duì)變化量即可求解出任意狀態(tài)下動(dòng)平臺(tái)位姿信息及各分支桿長。拉繩傳感器安裝尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、測量行程大、測量精度高，并且安裝簡單，安裝精度易于保證。2、本發(fā)明的測量方法不需要復(fù)雜、昂貴的外部空間位姿測量裝置，對(duì)標(biāo)定環(huán)境要求較低，且基本不對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)增添約束，成本低廉，操作便捷可靠，不受距離限制，適用于高空、遠(yuǎn)距離作業(yè)等多種場合。3、所述方法對(duì)于少自由度并聯(lián)機(jī)器人同樣適用。


圖1為本發(fā)明并聯(lián)機(jī)器人自標(biāo)定方法示意簡圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖，以其為例具體描述本發(fā)明所述的并聯(lián)機(jī)器人自標(biāo)定方法。如圖1所示，本發(fā)明所涉及并聯(lián)機(jī)器人由定平臺(tái)1、動(dòng)平臺(tái)2、驅(qū)動(dòng)分支3 U1B1, A2B2,……、以及連接各分支與定、動(dòng)平臺(tái)的鉸鏈4、5 (虎克鉸或球鉸)組成；在并聯(lián)機(jī)器人定平臺(tái)1和動(dòng)平臺(tái)2之間增設(shè)有3個(gè)測量分支6 爲(wèi)JAJ9^9),其兩端分別與定、 動(dòng)平臺(tái)固結(jié)(可通過螺紋連接，也可焊接，位置任意)，每個(gè)分支上安裝有拉繩傳感器7 ；并聯(lián)機(jī)器人每個(gè)驅(qū)動(dòng)分支的移動(dòng)副上均安裝位移傳感器8。對(duì)應(yīng)某一特定位姿，可建立6個(gè)驅(qū)動(dòng)分支和3個(gè)測量分支桿長與動(dòng)平臺(tái)6個(gè)位姿參數(shù)(3個(gè)位置變量，3個(gè)姿態(tài)變量)以及各鉸點(diǎn)位置矢量之間的關(guān)系方程如下所示
式中，。為對(duì)應(yīng)第J次位姿情況下第2個(gè)分支的桿長；h為對(duì)應(yīng)第次位姿情況下第
t個(gè)分支的桿長矢量；為由并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)到定平臺(tái)的姿態(tài)變化矩陣；4為各分支 (包括驅(qū)動(dòng)分支和測量分支)與定平臺(tái)相連鉸點(diǎn)在與定平臺(tái)固結(jié)的定坐標(biāo)系中的位置矢量； 或?yàn)楦鞣种c動(dòng)平臺(tái)相連鉸點(diǎn)在與動(dòng)平臺(tái)固結(jié)的動(dòng)坐標(biāo)系中的位置矢量；A為對(duì)應(yīng)第^ 次位姿情況下動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)于定坐標(biāo)系的位置矢量；/表示位姿變換次數(shù),J = Uz--(與測量分支數(shù)目及待標(biāo)定機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)有關(guān))" = U’…’M (M=6+N)。以圖1所示情況為例，假設(shè)增設(shè)3個(gè)測量分支，即N=3，則由上式，對(duì)應(yīng)某一種位姿， 可建立9個(gè)獨(dú)立的方程，而方程中動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)(3個(gè)角度)與位置(3個(gè))以及9個(gè)桿長(包括驅(qū)動(dòng)分支和測量分支)均為未知參數(shù)，共計(jì)有15個(gè)。此時(shí)方程數(shù)目少于未知參數(shù)數(shù)目，不可解。驅(qū)動(dòng)機(jī)器人變換位姿，則對(duì)應(yīng)新位姿，依據(jù)上式，又可建立9個(gè)方程，此時(shí)方程總數(shù)為18個(gè)。位姿變化后，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)分支和測量分支桿長變化量可由安裝于其上的位移傳感器獲得，故桿長未知量總數(shù)不變，未知參數(shù)僅增加動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)與位置(6個(gè))。此時(shí)，未知參數(shù)共計(jì)有21個(gè)(15+6)，多于方程總數(shù)，仍不可解。再次驅(qū)動(dòng)機(jī)器人變換一新位姿，同理，又可建立9個(gè)方程，新增6個(gè)未知位姿參數(shù)， 此時(shí)，方程總數(shù)為27個(gè)(18+9)，而未知參數(shù)亦為27個(gè)(21+6)，方程數(shù)與未知參數(shù)相同，方程可解，未知參數(shù)可求，則可以獲得機(jī)器人各驅(qū)動(dòng)分支初始桿長，同時(shí)變化過程中的位姿參數(shù)及測量分支桿長亦可獲得。更進(jìn)一步，若考慮各鉸鏈點(diǎn)位置誤差，依據(jù)同樣的思路，通過增加動(dòng)平臺(tái)位姿變化次數(shù)，可以建立足夠的方程來求解未知參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自標(biāo)定。
權(quán)利要求
1.一種并聯(lián)機(jī)器人自標(biāo)定方法，其特征在于①在并聯(lián)機(jī)器人6個(gè)驅(qū)動(dòng)分支上安裝位移傳感器，在并聯(lián)機(jī)器人定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間增設(shè)N個(gè)測量分支(Λ，h,…，Λ)，其兩端分別與定、動(dòng)平臺(tái)固結(jié)，每個(gè)分支上安裝有一拉繩傳感器；②對(duì)應(yīng)任一特定位姿，可建立6 個(gè)驅(qū)動(dòng)分支和N個(gè)測量分支的反解方程，即可建立(6+N)個(gè)獨(dú)立的顯式方程，而方程中未知數(shù)包括動(dòng)平臺(tái)6個(gè)位姿參數(shù)以及(6+N)個(gè)分支桿長，共計(jì)(12+N)個(gè)未知參數(shù)；③以任一位姿為初始狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人變換位姿，則對(duì)應(yīng)新位姿，又可建立(6+N)個(gè)方程，此次驅(qū)動(dòng)分支變化量可由安裝于其上的位移傳感器獲得，測量分支變化量可由拉繩傳感器獲得，即僅新增6 個(gè)位姿參數(shù)，則此時(shí)方程總數(shù)為2X (6+N)，而未知量數(shù)目為(18+N)；④驅(qū)動(dòng)機(jī)器人再次變換一新位姿，同理，又可建立(6+N)個(gè)方程，新增6個(gè)位姿參數(shù)；⑤以此類推，假設(shè)變換新位姿η次，則共可建立方程(6+N) X (η+1)個(gè)，而未知參數(shù)為(12+Ν+6η)個(gè)，因此，當(dāng)方程數(shù)大于等于未知參數(shù)數(shù)目時(shí)，即當(dāng)(6+N) X (η+1)彡(12+Ν+6η)時(shí)，方程可解，則借助安裝于并聯(lián)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)分支上的位移傳感器以及測量分支上的拉繩傳感器所檢測的位移變化信息， 可以求得任意狀態(tài)動(dòng)平臺(tái)位姿及機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)誤差，即能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)機(jī)器人自標(biāo)定方法，其特征在于方程數(shù)目的增加可能導(dǎo)致數(shù)值求解的難度加大，但對(duì)于同等數(shù)目的待辨識(shí)機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)，增加拉繩傳感器的數(shù)目， 將減少所需的動(dòng)平臺(tái)位姿變化次數(shù)，所建立的方程總數(shù)也會(huì)減少，數(shù)值求解的難度自然隨之降低。
全文摘要
一種并聯(lián)機(jī)器人自標(biāo)定方法，該方法在并聯(lián)機(jī)器人各驅(qū)動(dòng)分支上安裝位移傳感器，在并聯(lián)機(jī)器人定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間增設(shè)測量分支，其上安裝拉繩傳感器，建立驅(qū)動(dòng)分支和測量分支位移相對(duì)變化量與動(dòng)平臺(tái)位姿及各分支機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行位姿變換，使所能建立方程數(shù)目大于等于待辨識(shí)機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)數(shù)目，進(jìn)行數(shù)值求解，以獲得任意狀態(tài)動(dòng)平臺(tái)位姿及機(jī)構(gòu)學(xué)參數(shù)誤差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自標(biāo)定。本發(fā)明成本低廉、操作便捷，不受距離的約束，且?guī)缀醪粚?duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)增添約束，是并聯(lián)機(jī)器人標(biāo)定方案的很好選擇。
文檔編號(hào)G01B21/02GK102278963SQ20111018051
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者侯雨雷, 姚建濤, 段艷賓, 趙永生 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)