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串行五自由度机器人位姿精度校准 尹剑，高宇 铜陵学院，北京路，铜陵市244000，中国 上海大学，延长路，上海市200072，中国 摘要 机器人被广泛应用于工业领域，其末端执行件的位姿精度是判断机器人性能的重要指标。作为一种有效提高操作精度的方式，校准对于操作工业机器人是必不可少的。本文介绍了基于激光跟踪仪检测的五自由度机器人校准法，旨在利用机器人末端执行件的位姿度量来弥补误差。同时，根据对机器人运动学模型的建立和模拟，确定机器人参数偏差，从而校准标称参数。经验证，实验结果合理、有效。 关键词：串行机器人，自由度，校准，激光跟踪，位姿精度 1.绪论 机器人被广泛应用于工业领域，特别是在机械制造，汽车工业，电子工业，它可以替代工人完成运输，焊接，喷漆和装配等任务。大多数工业机器人是由移动或旋转关节连接的开链机构。这些串联机器人具有较大的工作空间，灵巧性高，操作性良好。然而，串行结构的精度较差。末端执行件位置和方向的偏差是机器人性能的主要指标。在过去的几年中，精确轨迹的要求也大幅增长。为了确保离线编程生成的机器人运动轨迹,校准必须进行。在过去十年中已开发了多种校准方法。逆标定法是通过测量离散点来估计整个工作区中末端执行件的偏差。运动学标定法可以确定机器人几何模型的标称参数的偏差。线性位移传感器，经纬仪，三维激光跟踪系统，CCD相机都是用于校准机器人的精度[1]。 末端执行件的位姿精度是判断机器人性能的一个重要指标，它受各种因素的影响。机器人误差在很大程度上是由几何误差，负载误差，热误差和运动误差引起的。几何误差来自制造，缺陷，偏差，链接偏移和关节磨损。负载误差是由在自身重力和外部载荷下关节链接的灵活性改变引起的。热误差是由机器人内部和外部的热源组件的热变形和扩张引起的。运动误差是由传感器的精度，控制器差别造成的。几何误差是位姿误差的主要来源，其可以通过运动学标定确定。校准是利用先进的测量方法，基于模型参数识别方法[2,3] ，以确定在标称运动的机器人模型参数的偏差。然后通过额外的控制算法的改进或对原有的算法的修改来提高机器人的绝对精度。通过校准方法来确定这些误差是本文的主体。本文提出了一种标定方法，它使用激光跟踪仪来对机器人运动学参数偏差进行识别。 2.本文的研究对象 工业机器人的任务是将一个工件移动到工作室的另一地点。机器人是一种关节与关节链接的布置，关节之间可实现相对运动。关节可以是绕轴旋转的旋转副，也可以是沿轴移动的移动副，或是这些基本关节之间的结合。通过关节连接在一起的刚性连接列被看作是一个运动链。在这项研究中，机器人的设计指标如表1所示。 表1规格的机器人 指数类别 指标项目 设计要求 速度 最高转速 ≥100°/s 尺寸 完全延伸 ≤710mm 工作区域 大约半径= 450mm 精确度 重复定位精度 ≤±2mm 重量 总重 ≤20kg 负载 ≤3.5kg 在满足工作空间的要求和更大的负载重量比的前提下，我们选择了五个关节的结构。对于同样大小的旋转副和移动副，旋转副可以提供更大的工作空间。此外，旋转副易于安装和维护。我们设计了有五个转动副的串行机器人。在图1所示的机器人是在这个项目实验研究中获得的。这是一个五自由度串联机器人，它牢固的安装在底座上，不同的末端执行件可以安装在法兰上。 3.机器人运动学模型 为了预测的末端执行件的位置和方向和测得关节角度，我们必须建立正向运动学模型。在每一个关节设置齐次矩阵，建立了机器人的运动学模型，然后才能确定末端执行件的位置和方向。 图1.五个旋转关节机器人的配置 Denavit-Hartenberg参数法是用来模拟运动的。首先，一个坐标系被分配到机器人的每个关节。然后利用矩阵变换表示机器人参数的联系，在图2所示的坐标系中，分配到每个关节。在每个关节的一套四Denavit- Hartenberg参数如表2所示。在DH模型中，相邻链接的变换矩阵如EQ1所示 。 图2. 5自由度机器人的Denavit Hartenberg坐标系系统 表2 5自由度机器人DH参数 关节 角度 dn（mm） αn（o） an（mm） 1 θ1 268