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专利号: 2020102695513
申请人: 南京工程学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 手动工具;轻便机动工具;手动器械的手柄;车间设备;机械手
更新日期:2024-11-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种工业机器人六维刚度误差补偿系统,其特征在于:包括负载测量装置和激光跟踪仪;

所述负载测量装置固定在工业机器人的末端,包括转接板、六维力传感器、X轴加载装置、Y轴加载装置、Z轴加载装置和靶球;

所述转接板与工业机器人的末端法兰盘固定连接;

所述六维力传感器固定在转接板上;

所述X轴加载装置为沿前后方向设置的条状件,前端固定在六维力传感器上,与六维力传感器同心连接;

所述Y轴加载装置为沿左右方向设置的条状件,设置在X轴加载装置上,且Y轴加载装置长度方向上的任意位置可设置在X轴加载装置长度方向上的任意位置上;

所述Z轴加载装置为沿上下方向设置的条状件,设置在Y轴加载装置上,且Z轴加载装置长度方向上的任意位置可设置在Y轴加载装置长度方向上的任意位置上;

Y轴加载装置和Z轴加载装置均具有砝码,砝码可设置在其长度方向上的任意位置处;

所述靶球固定设置在转接板上;

所述激光跟踪仪位于在工业机器人的后侧,可测量靶球的空间位置。

2.根据权利要求1所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统,其特征在于:其中,所述X轴加载装置上具有若干个沿其长度方向分布的环状凹槽,所述Y轴加载装置可卡在任意一个凹槽中。

3.根据权利要求2所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统,其特征在于:其中,所述Y轴加载装置和Z轴加载装置均还包括两个夹板和若干个支撑连接块;

每个加载装置中,两个夹板平行设置,支撑连接块位于两个夹板之间、且与两个夹板固定连接,两个夹板与支撑连接块形成一个整体框架类的可夹持结构,所述砝码固定夹持在两个夹板间的任意位置处;

Y轴加载装置的两个夹板上下设置,任意段固定夹持在所述X轴加载装置的任意凹槽的上下空间内;

Z轴加载装置的两个夹板前后设置,任意段固定夹持在Y轴加载装置两个夹板任意段的前后两侧。

4.根据权利要求3所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统,其特征在于:其中,所述Z轴加载装置的一个支撑连接块位于Y轴加载装置与Z轴加载装置的交叉连接处,该支撑连接块的前后两侧分别与Z轴加载装置的两个夹板固定连接、上下两侧分别与Y轴加载装置的两个夹板固定连接。

5.根据权利要求1所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统,其特征在于:其中,所述靶球位于六维力传感器的上方。

6.根据权利要求1所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统,其特征在于:其中,所述六维力传感器通过转接板与工业机器人的末端法兰盘同心安装。

7.如权利要求1所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统的补偿方法,其特征在于:包括以下步骤:

步骤一、控制机器人变动多个位姿,每个位姿均测量未安装砝码和安装砝码时靶球的空间位置Pj1和Pj2、读取六维力传感器的输出数值Fj1和Fj2,并计算同一位姿安装砝码前后的位置变化量ΔPj和负载变化量ΔFj,ΔPj=Pj2-Pj1,ΔFj=Fj2-Fj1,其中j为测量点序号,j=

1、2、3、…、N,N≥100,建立六维刚度误差模型;

步骤二、基于建立的六维刚度误差模型,采用非线性最小二乘法辨识出工业机器人的六维虚拟关节刚度矩阵参数;

步骤三、根据所述六维虚拟关节刚度矩阵参数和工业机器人末端负载值Fj,计算出工业机器人各个关节的形变量,记为(Δxij,Δyij,Δzij,Δαij,Δβij,Δγij),其中Δxij、Δyij、Δzij分别为沿着x、y、z轴的线性位置误差,Δαij、Δβij、Δγij分别为沿着x、y、z轴的角度误差,其中i为工业机器人关节序号,i=1、2、…、6;

步骤四、根据(Δxij、Δyij、Δzij、Δαij、Δβij、Δγij)误差,确定工业机器人原关节坐标系{Ji}与新关节坐标系{Ji′}的转换矩阵为:从而获得新关节坐标系{Ji′}的原点坐标Oi以及各关节z轴方向向量Zi;

步骤五、根据轴线测量法重新计算工业机器人的运动学参数,包括关节转角θi、关节距离di、连杆长度ai、连杆扭角αi和补充扭角βi;

步骤六、通过微分迭代方法实现新运动学参数的运动学逆解求解,计算得到的工业机器人关节角度,再叠加Δγij误差,输入工业机器人的控制器,从而实现六维刚度误差补偿。

8.根据权利要求7所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统的补偿方法,其特征在于:其中,步骤六的具体方法为:定义工业机器人的名义运动学参数向量为c0,c0=(θ1,d1,a1,α1,β1,…,θi,di,ai,αi,βi,…,θ6,d6,a6,α6,β6),由于名义运动学参数为DH模型参数,其中βi均为0;

工业机器人的关节角度向量为q,q=(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6);

工业机器人的正运动学表示为:Tn=f(c0,q),q=f-1(c0,Tn),其中Tn为工业机器人的名义末端位姿矩阵;

当工业机器人的运动学参数存在误差Δc时,则实际运动学参数向量c1=c0+Δc,工业机器人的实际位姿表示为:Tr=f(c1,q),其中Tr为工业机器人的实际末端位姿矩阵;

定义工业机器人的期望位姿为Td,根据以下公式迭代计算:其中, 为第n次迭代时的偏移位姿矩阵,第一次迭代时 qn为第n次迭代时工业机器人基于名义运动学模型参数向量c0计算的逆解,Tri为第i次迭代时工业机器人基于实际运动学模型参数向量c1计算的正解,i=1、…、n、n+1,即Tr(n+1)为第n+1次迭代时工业机器人基于实际运动学模型参数向量c1计算的正解;

当|Tn+1-Td|≤ε满足精度要求时,则停止迭代计算,其中ε为人为设定精度阈值,此时工业机器人的关节角为qn;

最后根据计算得到的工业机器人关节角度qn,再叠加Δγij误差,输入工业机器人的控制器,从而实现六维刚度误差补偿。

9.根据权利要求7所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统的补偿方法,其特征在于:其中,步骤五中,工业机器人的运动学参数的计算方法为:建立如下表所示的工业机器人的各个关节坐标系,其中Z0为工业机器人的基坐标系z轴向量;

关节 原点坐标 X轴方向向量 Z轴方向向量 Y轴方向向量

1 O1 Z0×Z1 Z1 X1×Z1

2 O2 Z1×Z2 Z2 X2×Z2

3 O3 Z2×Z3 Z3 X3×Z3

4 O4 Z3×Z4 Z4 X4×Z4

5 O5 Z4×Z5 Z5 X5×Z5

6 O6 Z5×Z6 Z6 X6×Z6判断Zi-1与Zi是否近似平行:若|Zi-1-Zi|≤0.001,则,即相邻关节近似平行;

当相邻关节近似平行时,采用DH运动学模型计算各运动学参数;

当相邻关节不近似平行时,采用MDH运动学模型计算各运动学参数。

10.根据权利要求8所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统的补偿方法,其特征在于:

其中,当相邻关节近似平行时,则补充扭角βi=0;

计算关节转角θi为Xi-1与Xi之间在绕Zi-1正向上夹角:计算连杆长度ai为Oi-1与Oi之间在Xi正向上的距离:计算关节距离di为Oi-1与Oi之间在Zi-1正向上的距离:计算连杆扭角αi为Zi-1轴到Zi轴的夹角:当相邻关节不近似平行时,则关节距离di=0;

计算关节转角θi为Xi-1与向量Oi-1Oi间在绕Zi-1正向上夹角:计算连杆长度ai为Oi-1与Oi之间的距离:ai=|Oi-Oi-1|;

计算连杆扭角αi为Zi-1到Zi之间绕Xi正向上的夹角:式中 Yi=Xi×Zi;

计算补充扭角βi为Zi-1到Zi之间绕Yi正向上的夹角:式中