基于POE方法的工业机器人运动学标定研究

摘要

在工业机器人应用中，到位精度作为评定机器人作业性能的重要指标，误差一般要求不高于2 mm。由于加工误差、装配误差等原因导致工业机器人往往不满足精度要求，而随着工业机器人向如焊接、喷涂等领域发展，高精度就成为完成工艺的决定性前提，因此必须对机器人运动学模型参数进行标定。对于已经提出过的D-H模型标定方法，不仅变量较多、约束条件多而且在可靠程度上不能得到保证，已提出的改进Product of Exponential（POE）标定方法虽不必考虑约束条件，但由于存在过多冗余量导致在误差模型过于复杂，不能快速收敛。
　　基于当前标定方法上存在的不足，本课题在改进POE标定方法的基础上提出了作用于几何结构的约束矩阵，能够有效地表示出相邻关节间的几何位置关系，从而大大减少了辨识参数的个数，优化误差模型使得迭代过程收敛快速、校准准确。通过MATLAB仿真测试，我们验证了标定算法的可行性。同时在实际作业的过程中发现减速比与耦合比的误差往往也会对机器人的到位精度产生一定的影响，所以结合误差模型，我们在标定算法中加入了对减速比和耦合比的辨识过程，能够让标定算法与实际情况紧密结合起来。
　　在课题实验部分，采用的是基于激光跟踪仪的测量方法。激光跟踪仪能保证测量精度达到微米级，确保数据采集的精准度并能在标定前后对机器人进行精度测试对比分析。在实验过程中发现，由于激光跟踪仪测量坐标系数据并不能准确表达机器人末端点相对于机器人基坐标系的空间位置，我们在课题研究中对测量方法进行了改进，应用指数坐标系转换将两坐标系的转换关系视作一组参数加入到误差模型中进行辨识。分别在安川、埃夫特等不同型号的机器人本体上进行了标定实验，标定结果表明采用改进的POE方法在绝对到位精度和重复到位精度上有明显的提高，空间直线精度可从0.56 mm提高至0.19 mm，标定后的机器人到位精度完全能够达到工业要求及工艺标准。

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第1章 绪 论

1.1 课题的来源及背景意义

1.2 国内外的研究现状及分析

1.3 主要研究内容

第2章 串联机器人运动学建模

2.1 指数积（ POE）模型

2.2 改进POE方法

2.3 本章小结

第3章 运动学标定方法

3.1 简化误差方程

3.2 基矩阵的建立

3.3 提出几何约束矩阵

3.4 加入基矩阵的指数积方程

3.5 改进POE方法—加入减速比和耦合比

3.6 POE模型参数与D-H参数的相互转换

3.7 本章小结

第4章 仿真测试及实验结果

4.1 测量方式

4.2仿真测试

4.3 实验结果

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录1

附录2

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致谢