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1、华中科技大学硕士学位论文6R型工业机器人标定算法与实验研究姓名：南小海申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：杨文玉20080524华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 现今机器人厂家生产的机器人其重复定位精度比较高，而绝对定位精度却很低。随着机器人离线编程技术应用越来越广泛，提高机器人绝对定位精度已成为其中一关键技术问题。本文采用一种运动学标定方法，应用先进的激光跟踪测量系统和基于模型的参数辨识方法识别出一种 6R 弧焊机器人模型的准确参数，提高了该机器人的绝对定位精度。 针对工业机器人标定问题，首先结合机器人的实
2、际机构特点，运用 D-H 方法建立了机器人的连杆坐标系，在此基础上进行了机器人运动学正逆解和雅可比矩阵的详细推导及求解，并运用 Matlab 语言进行运动学模型的编程求解，通过与机器人控制器中位姿数据对比，验证了所建立的连杆坐标系统的正确性。 针对工业机器人的机构特点，分析了影响机器人末端绝对定位精度的误差来源，采用修正的运动学连杆参数模型，基于微分变换法推导了用于机器人标定的误差模型，并基于 Matlab 软件系统编制了机器人运动学误差模型的最小二乘算法，通过对误差模型进行模拟求解，验证了机器人标定误差模型的可行性。 最后，在所建的数学模型基础上，设计了三种标定实验方法，分别为标准孔测量法、
3、标准平面测量法和激光跟踪仪直接测量法，并从实验原理、数据采集和标定结果上分别比较了这三种标定方案各自的优势和不足。在机器人控制器中对运动学参数误差进行了补偿，通过对补偿后的位姿进行测量和分析，表明有效提高了机器人的绝对定位精度。 关键词关键词：工业机器人; 运动学; 定位精度; 标定; 误差模型 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Nowadays, the repeatability accuracy of the robot produced by robot manufacturers is very hi
4、gh, while its absolute accuracy is very low. As the robot off-line programming is applied widely, its a key technique to improve the robot absolute accuracy. A kinematics calibration method is designed, that it adopts advanced laser tracking measurement system and model-based parameter identificatio
5、n to identify the accurate parameters of a 6R welding robot and increase the absolute accuracy. At first, aiming at the industrial robot calibration and combining the robots real geometrical structure, the link coordinates system of the robot is established by D-H method. On this basis, detailed kin
6、ematics and kinematics inverse solutions are calculated, and the Jacobian matrix is also solved. Then, simulation test for the kinematics equation is taken with Matlab language. Through comparing the test result and the location data in the robot controller, the validity of the established kinematic
7、s model has been proved. Aiming at the robots geometrical structure, the error sources influencing the robots absolute accuracy are analyzed. Adopting an optimized kinematics model and the differential transform method, the error model for the robot calibration is solved, and the calculation program
8、s are designed based on Matlab language and least squares algorithm. Through designing a simulation test for the error model, the reliability of the model has been proved. Finally, three calibration schemes are designed on the basis of error model, including the measure based on the standard hole, s
9、tandard plane and laser tracking. Their advantage and shortage are compared and analysed from the method theory, data collection and calibration result, respectively. After compensating the kinematics parameters error into the robot controller, through measuring and analyzing the robot end-location,
10、 the calibration method improving the robot absolute accuracy has been proved. Keywords: Industrial robot; Kinematics; Absolute accuracy; Calibration; Error model 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果
11、由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位
12、论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题来源 本课题得到以下项目的资助： ? 国家重点基础研究发展计划（973）项目“巨型重载操作装备的基础科学问题” ，批准号：2006CB705400，课题 4“大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统驱动策略” ，批准号：2006CB705404。 ? 江苏省昆山市华恒焊接设备技术有限责任公司委托项目“ 昆山 1 号机器人标定技术研究” 。 1.2 课题工程背景及意义 从 20 世纪 70 年代工业机器人出现至今的几十年时间，随着技术进步，特别是随着计算机和光机电一体化等高新技术日新月异的突飞猛进，而且汽车工业、电气电子、民用家电、航空航天、特别是高新技术产业
13、的发展，对各种类型的机器人，特别是关节型机器人的需求也越来越倾向于更高级的方向拓展。因而工业机器人的研究、开发和应用面对用户是一个尤为重要的问题，机器人工业已成为世界各国备受关注的产业。焊接从一开始就是工业用关节型机器人的主要应用领域，据统计，全世界已有 100 多万台工业机器人投入使用，其中用于焊接作业的机器人占全部机器人的 45%以上，日本是世界上拥有机器人最多的国家，其中焊接机器人所占的比例约为 35%1。 我国的焊接机器人学术研究和应用推广工作开展大约有 20 多年的历史，同其他行业引进先进技术的过程一样，我国的焊接机器人走过了一条从引进、消化到自行研制的过程，目前我国在焊接机器人研究
14、和应用方面虽然具有一定的规模，在某些方面甚至达到了国际先进水平，但仍然存在明显不足，许多引进的机器人国内还没有相应的部配件生产，且缺乏足够的售前、售后服务和技术支持，造成使用成本加大，效率降低，另外，许多国外系统不适合中国企业的工艺现状，主要表现在由于焊接前零件的质量较低，而导致机器人的使用效率降低，适用范围受限，焊接机器人不能满足生产要求，以至造成大量昂贵的设备处于半闲置的不利状态2,3。 为了降低成本，推进中国工业机器人的发展，针对中国企业的工艺现状，国内很多企业和高校都在陆续的研发适合我们自己的焊接工业机器人。 江苏昆山华恒焊接技术设备有限公司就是一家集研发、制造、销售、服务为一华 中
15、科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 体的焊接机器人及配套设备的专业制造商，主要代理销售德国 Reis 机器人及研发一些配套的外围辅助设备，主要包括直线机器人和变位机等。如图 1.1 所示。 (a) 焊接机器人 (b) 直线机器人 (c) 变位机 图 1.1 焊接机器人及其配套设备 在昆山市科技厅的大力支持下，公司现今计划自行研发“昆山 1 号”焊接机器人，而机器人的定位精度是衡量一台工业机器人性能的重要指标。在装配“昆山 1号”机器人后，对机器人进行标定是提高机器人定位精度的必要手段，机器人标定技术对工业机器人的发展具有重要的理论意义。本文
16、的主要工作就是以现有的德国Reis 机器人为对象，研究和设计工业机器人运动学标定的基本原理和标定方案，从而为后期标定“昆山 1 号”机器人打下了理论基础。 1.3 机器人运动学标定技术研究现状 1.3.1 国外研究现状 1. 运动学模型标定法 按照机器人标定过程，选择合适的运动学模型和标定测量方法是机器人标定的前提，在此基础上对标定数据进行处理实现误差参数识别与校正是机器人标定的目的。 机器人运动学标定通常分为四步：建模：建立描述机器人几何特性和运动性能的数学模型；测量：测量机器人末端执行器在世界坐标系下的多点位置坐标；参数辨识：辨别机器人关节角与其末端执行器末点位置之间的函数关系；补偿：修改控制器参数使理论值与实际值之间误差最小。下面分别就这四个方面的国外研究现状展开综述。 运动学建模 运动学模型的选择是决定机器人绝对定位精度的重要因素之一。最经典的运动学模型是 D-H 模型，它是按照一定的
