【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識裝置及辨識方法，屬于工業(yè)機器人剛度辨識。
技術(shù)介紹
1、加工過程中的外力使工業(yè)機器人產(chǎn)生不規(guī)則的偏差，影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。工業(yè)機器人剛度辨識技術(shù)正在不斷發(fā)展，學者們通過多種方法對工業(yè)機器人的剛度進行建模和辨識，并利用這些信息來優(yōu)化工業(yè)機器人設(shè)計、提高加工精度和性能。
2、剛度辨識過程中，末端變形的測量技術(shù)顯著影響參數(shù)識別的準確性，當前，多數(shù)工業(yè)機器人已配備視覺系統(tǒng)以執(zhí)行檢測和定位等任務(wù)。與激光跟蹤儀(lt)、三坐標測量機(cmm)及激光干涉儀等傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，基于視覺的辨識方法因其成本效益高、易于集成且無需額外的設(shè)備安裝而顯著優(yōu)越。雖然cmm方法精確，但其小的工作空間使得使用受限。激光跟蹤儀盡管技術(shù)先進，但昂貴的設(shè)備成本及復雜的部署過程限制了其廣泛應用。此外，激光跟蹤儀需在同一位姿測量多點以計算扭轉(zhuǎn)變形，延長了辨識時間。相比之下，相機技術(shù)及計算處理能力取得了進步，相機能夠無縫集成于工業(yè)機器人系統(tǒng)中，作為其感知和執(zhí)行機制的一部分，不需要外部測量設(shè)備。利用相機這一特性，可實現(xiàn)工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度的原位標定，保證在工業(yè)環(huán)境中無縫部署。
3、已有研究使用相機進行工業(yè)機器人剛度辨識。比如使用攝像系統(tǒng)來測量工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的剛度，通過監(jiān)測標記點的位置變化來計算末端執(zhí)行器的位移。然而，實驗顯示這種方法在捕捉小彈性變形時的準確性不足，這表明盡管使用了先進的視覺系統(tǒng)，但還需要進一步優(yōu)化以提高測量精度。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有
2、本專利技術(shù)的一種工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識裝置，包括負載、繩索、測力儀、單目相機、aruco標記和兩個滑輪；
3、單目相機安裝在工業(yè)機器人末端，用于通過拍攝aruco標記測量在加載力前后工業(yè)機器人末端變形量；
4、負載通過繩索依次通過位于高點的滑輪和位于低點的滑輪連接到工業(yè)機器人末端，位于低點的滑輪將力傳導至測力儀，測力儀測量工業(yè)機器人末端外部負載的大小和方向。
5、本申請還提供一種工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識裝置的辨識方法，方法包括：
6、建立工業(yè)機器人的靜剛度模型；
7、按照預設(shè)的閾值篩選工業(yè)機器人的高靈巧性和低剛度的測量位姿集合{p1},結(jié)合單目相機視場與測量精度，在篩選出的測量位姿集合{p1}中進一步選擇出最優(yōu)測量位姿集合{p2}；
8、在最優(yōu)測量位姿下，利用所述工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識裝置測量工業(yè)機器人末端在加載力作用下的變形、力和力矩數(shù)據(jù)，基于所有最優(yōu)測量位姿下所對應的變形、力和力矩數(shù)據(jù)，利用工業(yè)機器人的靜剛度模型，辨識出工業(yè)機器人各關(guān)節(jié)的剛度。
9、作為優(yōu)選，按照預設(shè)的閾值篩選工業(yè)機器人的高靈巧性和低剛度的測量位姿集合{p1}的方法為：
10、根據(jù)靈巧性的預設(shè)閾值篩選出的工業(yè)機器人的可選位姿所在的工作空間r1，根據(jù)剛度的預設(shè)閾值篩選出的工業(yè)機器人的可選位姿所在的工作空間r6；
11、建立初步優(yōu)化模型：
12、
13、其中，所述工業(yè)機器人為六自由度工業(yè)機器人，θ2、θ3、θ5分別為從工業(yè)機器人基座開始向上排序的六個關(guān)節(jié)中的第2、3、5個關(guān)節(jié)角度。
14、作為優(yōu)選，工業(yè)機器人的靈巧性通過靈巧性指數(shù)kd判定，靈巧性指數(shù)kd為：
15、
16、其中，k(jn)是基于雅可比矩陣的frobenius范數(shù)得到的雅可比矩陣條件數(shù)。
17、作為優(yōu)選，剛度通過全局剛度系數(shù)ks判定，全局剛度系數(shù)ks為：
18、
19、其中，cfd為力-線位移柔度矩陣。
20、作為優(yōu)選，結(jié)合單目相機視場與測量精度，在篩選出的位姿集合中進一步選擇出最優(yōu)測量位姿集合{p2}的方法為：
21、建立視覺誤差優(yōu)化模型：
22、
23、其中，p為單目相機測量的aruco標記四個角點的坐標；ф()為單目相機視場成像模型；ψ為視覺測量指標，ε為設(shè)置的視覺測量指標的閾值；
24、基于測量位姿集合{p1}，對視覺誤差優(yōu)化模型進行求解，得到最優(yōu)測量位姿集合{p2}。
25、作為優(yōu)選，單目相機視場與測量精度通過視覺測量指標ψ判定，所述視覺測量指標ψ為：
26、
27、其中，δx和δy為單目相機測量時在垂直光軸方向變形映射到圖像坐標系的變形，δz為單目相機測量時沿光軸方向變形映射到圖像坐標系的變形，ω1和ω2是權(quán)重因子，用于平衡不同方向的測量精度。
28、作為優(yōu)選，基于工業(yè)機器人運動學模型，并通過虛擬關(guān)節(jié)方法假設(shè)連桿為完全剛性且末端變形均由關(guān)節(jié)的變形引起，建立工業(yè)機器人靜剛度模型。
29、作為優(yōu)選，工業(yè)機器人的靜剛度模型為：
30、
31、其中，f表示工業(yè)機器人末端受到的外部廣義力矢量；j是工業(yè)機器人在當前位姿下的運動學雅克比矩陣；x為工業(yè)機器人末端在力f下的變形向量。
32、作為優(yōu)選，j是根據(jù)工業(yè)機器人的運動學方程得到的，所述工業(yè)機器人的運動學方程為：
33、
34、其中，為第一關(guān)節(jié)坐標系{1}相對機器人基座坐標系的齊次變換矩陣，為第二關(guān)節(jié)坐標系{2}相對第一關(guān)節(jié)坐標系{1}的齊次變換矩陣，為第三關(guān)節(jié)坐標系{3}相對第二關(guān)節(jié)坐標系{2}的齊次變換矩陣，為第四連關(guān)節(jié)坐標系{4}相對第三關(guān)節(jié)坐標系{3}的齊次變換矩陣，為第五關(guān)節(jié)坐標系{5}相對第四關(guān)節(jié)坐標系{4}的齊次變換矩陣，為第關(guān)節(jié)坐標系{6}相對第五關(guān)節(jié)坐標系{5}的齊次變換矩陣，為第六關(guān)節(jié)坐標系{6}相對機器人基座坐標系的齊次變換矩陣。
35、本專利技術(shù)的有益效果，本專利技術(shù)提出了“眼在手上”的剛度辨識方法，此方法不僅利用了相機的核心優(yōu)勢，而且突破了傳統(tǒng)觀念，不將其僅視為激光跟蹤儀等外部設(shè)備的替代品。通過將相機直接集成于工業(yè)機器人末端，能夠精確捕獲末端的姿態(tài)變化，實現(xiàn)精確的剛度辨識。不僅提高了辨識精度，也簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，易于在實際工業(yè)環(huán)境中部署。本專利技術(shù)采用了預定的性能指標來優(yōu)化工業(yè)機器人的姿態(tài)，確保關(guān)節(jié)剛度辨識的精確性和重復性。本專利技術(shù)提高了剛度辨識的便利性，尤其是實驗方法具有可以原位辨識關(guān)節(jié)參數(shù)的優(yōu)勢，已部署的工業(yè)機器人無需為了測量拆卸腕部，顯著增加了操作性和適用性，為工業(yè)機器人的精度優(yōu)化提供了可靠的技術(shù)支持。
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1.工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識裝置，其特征在于，包括負載、繩索、測力儀、單目相機、ArUco標記和兩個滑輪；
2.權(quán)利要求1所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識裝置的辨識方法，其特征在于，所述方法包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，按照預設(shè)的閾值篩選工業(yè)機器人的高靈巧性和低剛度的測量位姿集合{P1}的方法為：
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，工業(yè)機器人的靈巧性通過靈巧性指數(shù)kd判定，靈巧性指數(shù)kd為：
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，剛度通過全局剛度系數(shù)Ks判定，全局剛度系數(shù)Ks為：
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，結(jié)合單目相機視場與測量精度，在篩選出的位姿集合中進一步選擇出最優(yōu)測量位姿集合{P2}的方法為：
7.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，單目相機視場與測量精度通過視覺測量指標Ψ判定，所述視覺測量指標Ψ為：
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，工業(yè)機器人的靜剛度模型為：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，J是根據(jù)工業(yè)機器人的運動學方程得到的，所述工業(yè)機器人的運動學方程為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識裝置，其特征在于，包括負載、繩索、測力儀、單目相機、aruco標記和兩個滑輪；
2.權(quán)利要求1所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識裝置的辨識方法，其特征在于，所述方法包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，按照預設(shè)的閾值篩選工業(yè)機器人的高靈巧性和低剛度的測量位姿集合{p1}的方法為：
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，工業(yè)機器人的靈巧性通過靈巧性指數(shù)kd判定，靈巧性指數(shù)kd為：
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特征在于，剛度通過全局剛度系數(shù)ks判定，全局剛度系數(shù)ks為：
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)剛度辨識方法，其特...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄧柯楠，路勇，馮聰圣，朱明智，馮暢，徐元利，高棟，尹遠浩，段曉明，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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