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轴旋转法标定中的机器人运动学建模方法研究

王杼荣 练少勋 南晓萱 席文明

王杼荣,练少勋,南晓萱, 等. 轴旋转法标定中的机器人运动学建模方法研究[J]. 机械科学与技术,2024,43(5):844-850 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220262
引用本文: 王杼荣,练少勋,南晓萱, 等. 轴旋转法标定中的机器人运动学建模方法研究[J]. 机械科学与技术,2024,43(5):844-850 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220262
WANG Zhurong, LIAN Shaoxun, NAN Xiaoxuan, XI Wenming. A Robot's Kinematics Modeling Method Using Axis Rotation Calibration Method[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2024, 43(5): 844-850. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220262
Citation: WANG Zhurong, LIAN Shaoxun, NAN Xiaoxuan, XI Wenming. A Robot's Kinematics Modeling Method Using Axis Rotation Calibration Method[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2024, 43(5): 844-850. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220262

轴旋转法标定中的机器人运动学建模方法研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220262
详细信息
    作者简介:

    王杼荣,硕士研究生,w1437974788@163.com

    通讯作者:

    席文明,教授,硕士生导师,wmxi@xmu.edu.cn

  • 中图分类号: TP242.2

A Robot's Kinematics Modeling Method Using Axis Rotation Calibration Method

  • 摘要: 轴旋转法标定是通过依次旋转机器人关节轴获取测量点,利用测量点拟合机器人轴线方程。基于轴线方程,利用两种方法建立机器人运动学方程,第一种方法首先求取机器人各轴理论坐标系相对于基坐标系的变换矩阵,然后基于理论轴线与实际轴线间的微小误差,求取各轴实际坐标系相对于基坐标系的变换矩阵,最后求取六变量相邻变换矩阵。第二种方法是直接利用新MDH法求取实际机器人的相邻变换矩阵,即对于空间交叉轴,求其公垂线确定轴坐标系,对于平行轴,通过交叉轴的公垂线交点向另一轴作垂线,确定另一轴坐标系的x轴方向。比较两种方法发现,第一种方法无法求解各轴的零位偏差,而第二种方法可以解耦求取各轴零位偏差与几何参数。利用牛顿迭代法求解两种模型的逆运动学方程,并用实验和仿真计算比较两种方法的标定效果,其轨迹精度达到−0.83 ~ + 0.52 mm。
  • 图  1  实际机器人连杆坐标系的建立

    Figure  1.  Establishment of the actual robot linkage coordinate system

    图  2  实际机器人连杆坐标系原点设定

    Figure  2.  Setting the original points of the actual robot linkage coordinate system

    图  3  空间交叉轴连杆坐标系建立方法

    Figure  3.  Method for establishing the coordinate system of the spatial cross-axis connecting rod

    图  4  新MDH法相邻连杆坐标系设置

    Figure  4.  Setup of the adjacent linkage coordinate system with the new MDH method

    图  5  机器人运动学标定实验系统

    Figure  5.  Experimental system for robot kinematic calibration

    图  6  标定机器人后的加工实验

    Figure  6.  Processing experiment after calibrating the robot

    表  1  安川MH250机器人D-H参数

    Table  1.   D-H parameters of Yaskawa MH250 robot

    连杆i ai−1 / mm αi−1 /(°) di / mm θi / (°)
    1 0 0 0 θ1
    2 285 −90 0 θ2
    3 1150 0 0 θ3
    4 250 −90 1285 θ4
    5 0 90 0 θ5
    6 0 −90 250 θ6
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    表  2  第一种方法实际机器人相邻连杆变换参数

    Table  2.   Adjacent linkage transformation parameters for the actual robot with the first method

    连杆iβi / (°) αi / (°) θi / (°) Si / mm
    100θ1(0, 0, 0)
    20.052−90.040θ2(284.474, 0.000, 0.000)
    3−0.0610.139θ3(1150.296, 0.304, −0.805)
    4119.123−89.933θ4(254.182, 1285.225, −0.996)
    5−109.32890.125θ5(−2.111, 2.574, −0.396)
    698.032−89.756θ6(0.389, 250.003, 2.214)
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    表  3  第二种方法实际机器人相邻连杆变换参数

    Table  3.   Adjacent linkage transformation parameters for the actual robot with the second method

    连杆i θi / (°)
    (零位偏差)
    di / mm ai−1 / mm αi−1 / mm βi / (°)
    1 θ1(0) 0 0 0 0
    2 θ2(−89.9849) −1.0691 284.4739 −90.0401 0
    3 θ3(−0.0738) 0 1150.296 0.1391 −0.0611
    4 θ4(−0.1010) 1285.092 252.8683 −90.0326 0
    5 θ5(−0.1314) −0.2158 2.1053 −89.9587 0
    6 θ6(0.2691) 250 0.6669 90.0342 0
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    表  4  两种方法逆运动学计算的关节角差值

    Table  4.   The difference in joint angles calculated by the inverse kinematics with the two methods

    关节 平均值 最大值 最小值
    θ1 / rad 1.61×10−5 0.0022 5.64×10−7
    θ2 / rad 0.0012 0.0034 8.04×10−4
    θ3 / rad 0.0013 0.0056 5.29×10−4
    θ4 / rad 3.72×10−4 0.0063 1.49×10−5
    θ5 / rad 9.29×10−5 0.0016 3.62×10−6
    θ6 / rad 2.17×10−4 0.0053 6.08×10−6
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    表  5  两种方法正运动学计算的空间点差值

    Table  5.   The difference between the spatial points calculated by the positive kinematics with the two methods

    X / mmY / mmZ / mm d / mm
    平均值0.00130.00130.00140.0014
    最大值0.00390.00280.00290.0039
    最小值3.42×10−62.47×10−68.10×10−63.42×10−6
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  • 收稿日期:  2022-02-10
  • 刊出日期:  2024-05-31

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