本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，尤其是一種多工位機械臂標(biāo)定裝置的測量桿優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、以中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?02110278848.0的一種基于多工位測量的機器人標(biāo)定裝置為例，包括被標(biāo)定裝置、標(biāo)定裝置、多工位模板，所述多工位模板提供多個標(biāo)定測量位置用于擴展標(biāo)定裝置對被標(biāo)定裝置的標(biāo)定測量范圍，被標(biāo)定裝置與標(biāo)定裝置的位置關(guān)系是：被標(biāo)定裝置連接在機器臂上同時標(biāo)定裝置連接在多工位模板上或標(biāo)定裝置連接在機器臂上同時被標(biāo)定裝置連接在多工位本發(fā)明標(biāo)定裝置可以在工業(yè)現(xiàn)場隨時對機器人進行標(biāo)定，操作簡單方便，而且標(biāo)定精度更高，通過多工位模板實現(xiàn)標(biāo)定裝置在多個工位的測量中，可以獲得更大的性能的測量范圍，同時各個工位之間的相對位置為一個已知信息，可用于機器人運動學(xué)參數(shù)，提高標(biāo)定精度。

2、但是采用該方法進行機械臂運動學(xué)參數(shù)標(biāo)定時，如果測量桿太短，機械臂無法在較大的空間范圍內(nèi)運動，影響測量多樣性，導(dǎo)致標(biāo)定精度較低；如果測量桿過長，機械臂也容易被“抻住”，繞點運動的姿態(tài)角調(diào)整范圍仍可能受到影響，而且還會導(dǎo)致測量桿的剛度偏低，不利于獲得較高的實際測量精度。因此需要針對不同的機械臂優(yōu)化設(shè)計最適合的測量桿，以最大限度的提升標(biāo)定的精度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種多工位機械臂標(biāo)定裝置的測量桿優(yōu)化設(shè)計方法，以解決現(xiàn)有的技術(shù)缺陷和不能達到的技術(shù)要求。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種多工位機械臂標(biāo)定裝置的測量桿優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟：

4、(1)在離線仿真環(huán)境內(nèi)，將一組結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量桿安裝在機械臂末端，將多工位底座設(shè)置在機械臂基座的附近；

5、(2)3d測量裝置放置在多工位底座的其中一個工位處，保持測量桿的末端測量球球心的點約束，在3d測量裝置的測量空間均布測量桿的姿態(tài)角，基于機械臂逆運動學(xué)求解出對應(yīng)的機械臂關(guān)節(jié)角，然后再通過構(gòu)型篩選對其進行篩選，最終獲取大量可行且合理的機械臂關(guān)節(jié)角，所述構(gòu)型篩選包括仿真碰撞檢測；

6、(3)將3d測量裝置放置在多工位底座的其他工位上重復(fù)步驟2，最終獲取所有可行且合理的位姿關(guān)節(jié)角；

7、(4)基于觀測性指標(biāo)進行測量關(guān)節(jié)角選取，在所有可行且合理的關(guān)節(jié)角中選取最優(yōu)測量關(guān)節(jié)角組合，并得到最優(yōu)測量關(guān)節(jié)角組合的觀測性指標(biāo)，記作最優(yōu)觀測性指標(biāo)；

8、(5)在離線仿真環(huán)境內(nèi)，將不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量桿依次安裝在機械臂末端，重復(fù)步驟2-4，得到不同測量桿對應(yīng)的最優(yōu)觀測性指標(biāo)，并以最優(yōu)觀測性指標(biāo)為評價指標(biāo)確定最優(yōu)的測量桿結(jié)構(gòu)參數(shù)。

9、作為優(yōu)選，所述測量桿的主體為中間設(shè)有彎折段的彎管，所述測量桿的一端與機械臂末端的法蘭連接座連接，測量桿的另一端與測量球連接，所述測量桿包括第一管段和第二管段，且第一管段和第二管段的長度分別為l1和l2，所述第一管段和第二管段之間的夾角為γ；

10、所述測量桿的末端測量球球心相對于機械臂末端法蘭安裝面中心的坐標(biāo)為：

11、

12、作為優(yōu)選，所述第一管段和第二管段之間的夾角90°≤γ＜180°。

13、作為優(yōu)選，在步驟5中，在以最優(yōu)觀測性指標(biāo)為評價指標(biāo)確定最優(yōu)的測量桿結(jié)構(gòu)參數(shù)時，對于每一組結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量桿，需要重復(fù)多次實驗，每次實驗都要改變多工位底座與機械臂之間的相對位置，然后重復(fù)步驟2-4，產(chǎn)生多個優(yōu)觀測性指標(biāo)，然后從中挑選最高值作為最終的評價指標(biāo)。

14、作為優(yōu)選，所述3d測量裝置的測量空間指的是，將三個正交放置的位移傳感器軸線的交點定義為o1，以點o1或點o1附近的某一點o2為測量點，過測量點作與三個位移傳感器測頭的測量平面分別平行的三個參考面，三個參考面將以測量點為球心的球形空間八等份，取三個位移傳感器均朝外的八分之一開放區(qū)域作為測量空間。

15、作為優(yōu)選，所述3d測量裝置的測量空間均布測量桿的姿態(tài)角的具體方法為：按一定分度值以地理學(xué)中的經(jīng)緯度定義球面上的坐標(biāo)，每個經(jīng)線和緯線的交點與球心的連線方向，即為待測位姿中機械臂末端測量球坐標(biāo)系z軸指向，x軸的指向則為某一初始x軸繞z軸旋轉(zhuǎn)角度γ得到，該角度γ由-180°～180°以分度值dγ進行遍歷，通過確定z軸與x軸，即可確定整個末端測量球坐標(biāo)系；

16、或者，不采用經(jīng)緯度定義球面上的坐標(biāo)點，而是直接在球面上均布點，用均布點與球心的連線方向定義為機械臂末端測量球坐標(biāo)系的z軸指向，x軸的指向則為某一初始x軸繞z軸旋轉(zhuǎn)角度γ得到，該角度γ由-180°～180°以分度值dγ進行遍歷，通過確定z軸與x軸，即可確定整個末端測量球坐標(biāo)系。

17、作為優(yōu)選，所述仿真碰撞檢測為機械臂運動到某一關(guān)節(jié)角后會發(fā)生自我碰撞或者與外界碰撞，則剔除該關(guān)節(jié)角，通過仿真中的碰撞檢測判斷，自我碰撞指機械臂各關(guān)節(jié)連桿之間發(fā)生碰撞，與外界碰撞指機械臂與地面、多工位底座、3d測量裝置發(fā)生碰撞。

18、作為優(yōu)選，所述觀測性指標(biāo)能夠表征在基于優(yōu)化的方法對運動學(xué)參數(shù)進行辨識時，雅克比矩陣的病態(tài)程度，具體為oi1、oi2、oi3、oi4和oi5的一種：

19、

20、oi3＝σq?(15-3)

21、

22、其中，σi(i＝1,2,..,q,σq≤...≤σ1)1是雅克比矩陣j的奇異值，q為奇異值數(shù)量，m為數(shù)據(jù)組數(shù)，觀測性指標(biāo)有多種評價方式，oi值越大，說明該組關(guān)節(jié)角下機械臂的靈活度越好。

23、作為優(yōu)選，所述測量關(guān)節(jié)角選取采用detmax算法，具體步驟如下：

24、從所有可行且合理的關(guān)節(jié)角數(shù)據(jù)中隨機挑選m組數(shù)據(jù)，并計算這m組數(shù)據(jù)對應(yīng)的觀測性指標(biāo)值；

25、在剩余組數(shù)據(jù)中遍歷找出一組數(shù)據(jù)，使得原本挑選出的m組數(shù)據(jù)添加該組數(shù)據(jù)后的(m+1)組數(shù)據(jù)對應(yīng)的觀測性指標(biāo)值最大；

26、在這(m+1)組數(shù)據(jù)中遍歷篩選出一組數(shù)據(jù)，使得刪除該組數(shù)據(jù)后的m組數(shù)據(jù)的觀測性指標(biāo)值最大；

27、如此不斷循環(huán)遍歷，直至刪除的那組數(shù)據(jù)正好是添加的那組數(shù)據(jù)，由此便可以得到觀測性指標(biāo)值最大的m組數(shù)據(jù)，實現(xiàn)最優(yōu)測量關(guān)節(jié)角組合的選取。

28、作為優(yōu)選，在步驟5中，在以最優(yōu)觀測性指標(biāo)為評價指標(biāo)確定最優(yōu)的測量桿結(jié)構(gòu)參數(shù)時，需要對三個結(jié)構(gòu)參數(shù)l1、l2和γ分別設(shè)置多組備選值，然后三個結(jié)構(gòu)參數(shù)的備選值相互排列組合，形成多組結(jié)構(gòu)參數(shù)，再對每組結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量桿重復(fù)多次步驟2-4，產(chǎn)生多個優(yōu)觀測性指標(biāo)，然后從中挑選最高值作為最優(yōu)的測量桿結(jié)構(gòu)參數(shù)。

29、作為優(yōu)選，在步驟5中，在以最優(yōu)觀測性指標(biāo)為評價指標(biāo)確定最優(yōu)的測量桿結(jié)構(gòu)參數(shù)時，具體流程如下：

30、a、選取一組初始結(jié)構(gòu)參數(shù)l1、l2和γ；

31、b、將其中一個結(jié)構(gòu)參數(shù)作為待優(yōu)化參數(shù)進行優(yōu)化，讓其他結(jié)構(gòu)參數(shù)作為固定參數(shù)保持固定，在待優(yōu)化參數(shù)的原值附近搜索一個新值，讓待優(yōu)化參數(shù)調(diào)整到新值之后使該組結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)觀測性指標(biāo)最大，從而完成一次參數(shù)變換；

32、c、將其他幾個參數(shù)依次作為待優(yōu)化參數(shù)重復(fù)步驟b，從而完成一輪參數(shù)輪換；

33、d、不斷重復(fù)步驟b-c，進行多輪參數(shù)輪換，當(dāng)最優(yōu)觀測性指標(biāo)不再增大或增大幅度小于閾值時退出循環(huán)，輸出輪換過程中的獲得最大的最優(yōu)觀測性指標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)l1、l2和γ，作為最優(yōu)的測量桿結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成迭代優(yōu)化。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：通過將不同參數(shù)的測量桿依次安裝在機械臂末端，對其進行仿真碰撞檢測，得到最優(yōu)觀測性指標(biāo)，從而確定最優(yōu)的測量桿結(jié)構(gòu)參數(shù)。