本發(fā)明涉及一種工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)裝置及辨識(shí)方法，屬于工業(yè)機(jī)器人剛度辨識(shí)。

背景技術(shù)：

1、加工過(guò)程中的外力使工業(yè)機(jī)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(jī)器人剛度辨識(shí)技術(shù)正在不斷發(fā)展，學(xué)者們通過(guò)多種方法對(duì)工業(yè)機(jī)器人的剛度進(jìn)行建模和辨識(shí)，并利用這些信息來(lái)優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)、提高加工精度和性能。

2、剛度辨識(shí)過(guò)程中，末端變形的測(cè)量技術(shù)顯著影響參數(shù)識(shí)別的準(zhǔn)確性，當(dāng)前，多數(shù)工業(yè)機(jī)器人已配備視覺(jué)系統(tǒng)以執(zhí)行檢測(cè)和定位等任務(wù)。與激光跟蹤儀(lt)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(cmm)及激光干涉儀等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，基于視覺(jué)的辨識(shí)方法因其成本效益高、易于集成且無(wú)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(jìn)，但昂貴的設(shè)備成本及復(fù)雜的部署過(guò)程限制了其廣泛應(yīng)用。此外，激光跟蹤儀需在同一位姿測(cè)量多點(diǎn)以計(jì)算扭轉(zhuǎn)變形，延長(zhǎng)了辨識(shí)時(shí)間。相比之下，相機(jī)技術(shù)及計(jì)算處理能力取得了進(jìn)步，相機(jī)能夠無(wú)縫集成于工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，作為其感知和執(zhí)行機(jī)制的一部分，不需要外部測(cè)量設(shè)備。利用相機(jī)這一特性，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度的原位標(biāo)定，保證在工業(yè)環(huán)境中無(wú)縫部署。

3、已有研究使用相機(jī)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人剛度辨識(shí)。比如使用攝像系統(tǒng)來(lái)測(cè)量工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的剛度，通過(guò)監(jiān)測(cè)標(biāo)記點(diǎn)的位置變化來(lái)計(jì)算末端執(zhí)行器的位移。然而，實(shí)驗(yàn)顯示這種方法在捕捉小彈性變形時(shí)的準(zhǔn)確性不足，這表明盡管使用了先進(jìn)的視覺(jué)系統(tǒng)，但還需要進(jìn)一步優(yōu)化以提高測(cè)量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人剛度辨識(shí)方法中因設(shè)備復(fù)雜如何提高辨識(shí)精度的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于視覺(jué)及分步位姿優(yōu)選的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)裝置及辨識(shí)方法。

2、本發(fā)明的一種工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)裝置，包括負(fù)載、繩索、測(cè)力儀、單目相機(jī)、aruco標(biāo)記和兩個(gè)滑輪；

3、單目相機(jī)安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，用于通過(guò)拍攝aruco標(biāo)記測(cè)量在加載力前后工業(yè)機(jī)器人末端變形量；

4、負(fù)載通過(guò)繩索依次通過(guò)位于高點(diǎn)的滑輪和位于低點(diǎn)的滑輪連接到工業(yè)機(jī)器人末端，位于低點(diǎn)的滑輪將力傳導(dǎo)至測(cè)力儀，測(cè)力儀測(cè)量工業(yè)機(jī)器人末端外部負(fù)載的大小和方向。

5、本申請(qǐng)還提供一種工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)裝置的辨識(shí)方法，方法包括：

6、建立工業(yè)機(jī)器人的靜剛度模型；

7、按照預(yù)設(shè)的閾值篩選工業(yè)機(jī)器人的高靈巧性和低剛度的測(cè)量位姿集合{p1},結(jié)合單目相機(jī)視場(chǎng)與測(cè)量精度，在篩選出的測(cè)量位姿集合{p1}中進(jìn)一步選擇出最優(yōu)測(cè)量位姿集合{p2}；

8、在最優(yōu)測(cè)量位姿下，利用所述工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)裝置測(cè)量工業(yè)機(jī)器人末端在加載力作用下的變形、力和力矩?cái)?shù)據(jù)，基于所有最優(yōu)測(cè)量位姿下所對(duì)應(yīng)的變形、力和力矩?cái)?shù)據(jù)，利用工業(yè)機(jī)器人的靜剛度模型，辨識(shí)出工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的剛度。

9、作為優(yōu)選，按照預(yù)設(shè)的閾值篩選工業(yè)機(jī)器人的高靈巧性和低剛度的測(cè)量位姿集合{p1}的方法為：

10、根據(jù)靈巧性的預(yù)設(shè)閾值篩選出的工業(yè)機(jī)器人的可選位姿所在的工作空間r1，根據(jù)剛度的預(yù)設(shè)閾值篩選出的工業(yè)機(jī)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(jī)器人為六自由度工業(yè)機(jī)器人，θ2、θ3、θ5分別為從工業(yè)機(jī)器人基座開(kāi)始向上排序的六個(gè)關(guān)節(jié)中的第2、3、5個(gè)關(guān)節(jié)角度。

14、作為優(yōu)選，工業(yè)機(jī)器人的靈巧性通過(guò)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(guò)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(jī)視場(chǎng)與測(cè)量精度，在篩選出的位姿集合中進(jìn)一步選擇出最優(yōu)測(cè)量位姿集合{p2}的方法為：

21、建立視覺(jué)誤差優(yōu)化模型：

22、

23、其中，p為單目相機(jī)測(cè)量的aruco標(biāo)記四個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)；ф()為單目相機(jī)視場(chǎng)成像模型；ψ為視覺(jué)測(cè)量指標(biāo)，ε為設(shè)置的視覺(jué)測(cè)量指標(biāo)的閾值；

24、基于測(cè)量位姿集合{p1}，對(duì)視覺(jué)誤差優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得到最優(yōu)測(cè)量位姿集合{p2}。

25、作為優(yōu)選，單目相機(jī)視場(chǎng)與測(cè)量精度通過(guò)視覺(jué)測(cè)量指標(biāo)ψ判定，所述視覺(jué)測(cè)量指標(biāo)ψ為：

26、

27、其中，δx和δy為單目相機(jī)測(cè)量時(shí)在垂直光軸方向變形映射到圖像坐標(biāo)系的變形，δz為單目相機(jī)測(cè)量時(shí)沿光軸方向變形映射到圖像坐標(biāo)系的變形，ω1和ω2是權(quán)重因子，用于平衡不同方向的測(cè)量精度。

28、作為優(yōu)選，基于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)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(jī)器人靜剛度模型。

29、作為優(yōu)選，工業(yè)機(jī)器人的靜剛度模型為：

30、

31、其中，f表示工業(yè)機(jī)器人末端受到的外部廣義力矢量；j是工業(yè)機(jī)器人在當(dāng)前位姿下的運(yùn)動(dòng)學(xué)雅克比矩陣；x為工業(yè)機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得到的，所述工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

33、

34、其中，為第一關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{1}相對(duì)機(jī)器人基座坐標(biāo)系的齊次變換矩陣，為第二關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{2}相對(duì)第一關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{1}的齊次變換矩陣，為第三關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{3}相對(duì)第二關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{2}的齊次變換矩陣，為第四連關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{4}相對(duì)第三關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{3}的齊次變換矩陣，為第五關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{5}相對(duì)第四關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{4}的齊次變換矩陣，為第關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{6}相對(duì)第五關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{5}的齊次變換矩陣，為第六關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{6}相對(duì)機(jī)器人基座坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。

35、本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明提出了“眼在手上”的剛度辨識(shí)方法，此方法不僅利用了相機(jī)的核心優(yōu)勢(shì)，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(guò)將相機(jī)直接集成于工業(yè)機(jī)器人末端，能夠精確捕獲末端的姿態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)精確的剛度辨識(shí)。不僅提高了辨識(shí)精度，也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)，易于在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中部署。本發(fā)明采用了預(yù)定的性能指標(biāo)來(lái)優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人的姿態(tài)，確保關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)的精確性和重復(fù)性。本發(fā)明提高了剛度辨識(shí)的便利性，尤其是實(shí)驗(yàn)方法具有可以原位辨識(shí)關(guān)節(jié)參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，已部署的工業(yè)機(jī)器人無(wú)需為了測(cè)量拆卸腕部，顯著增加了操作性和適用性，為工業(yè)機(jī)器人的精度優(yōu)化提供了可靠的技術(shù)支持。

技術(shù)特征：

1.工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)裝置，其特征在于，包括負(fù)載、繩索、測(cè)力儀、單目相機(jī)、aruco標(biāo)記和兩個(gè)滑輪；

2.權(quán)利要求1所述的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)裝置的辨識(shí)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(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)方法，其特征在于，按照預(yù)設(shè)的閾值篩選工業(yè)機(jī)器人的高靈巧性和低剛度的測(cè)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(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)方法，其特征在于，工業(yè)機(jī)器人的靈巧性通過(guò)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(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)方法，其特征在于，剛度通過(guò)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(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)方法，其特征在于，結(jié)合單目相機(jī)視場(chǎng)與測(cè)量精度，在篩選出的位姿集合中進(jìn)一步選擇出最優(yōu)測(cè)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(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)方法，其特征在于，單目相機(jī)視場(chǎng)與測(cè)量精度通過(guò)視覺(jué)測(cè)量指標(biāo)ψ判定，所述視覺(jué)測(cè)量指標(biāo)ψ為：

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)方法，其特征在于，基于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)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(jī)器人靜剛度模型。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)方法，其特征在于，工業(yè)機(jī)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(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)方法，其特征在于，j是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得到的，所述工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

技術(shù)總結(jié)
工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)裝置及辨識(shí)方法，解決現(xiàn)有機(jī)器人剛度辨識(shí)方法中因設(shè)備復(fù)雜如何提高辨識(shí)精度的問(wèn)題，屬于機(jī)器人剛度辨識(shí)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度辨識(shí)裝置將單目相機(jī)安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，負(fù)載通過(guò)繩索依次通過(guò)兩個(gè)滑輪連接到工業(yè)機(jī)器人末端，位于低點(diǎn)的滑輪將力傳導(dǎo)至測(cè)力儀；本發(fā)明的辨識(shí)方法：建立機(jī)器人靜剛度模型；按照預(yù)設(shè)的閾值篩選機(jī)器人的高靈巧性和低剛度的測(cè)量位姿集合測(cè){P<subgt;1</subgt;},結(jié)合單目相機(jī)視場(chǎng)與測(cè)量精度，在{P<subgt;1</subgt;}中進(jìn)一步選擇出最優(yōu)測(cè)量位姿集合；在最優(yōu)測(cè)量位姿下，利用本發(fā)明辨識(shí)裝置測(cè)量機(jī)器人末端在加載力作用下的變形、力和力矩?cái)?shù)據(jù)，利用所述靜剛度模型，辨識(shí)出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的剛度。

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(yuǎn)浩,段曉明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28