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一种基于激光位移测量的机械臂参数标定方法

邵鑫 季力 邹怀武 解杨敏

邵鑫, 季力, 邹怀武, 等 . 一种基于激光位移测量的机械臂参数标定方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(11): 2281-2288. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0093
引用本文: 邵鑫, 季力, 邹怀武, 等 . 一种基于激光位移测量的机械臂参数标定方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(11): 2281-2288. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0093
SHAO Xin, JI Li, ZOU Huaiwu, et al. A parameter calibration method for manipulators based on laser displacement measurement[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(11): 2281-2288. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0093(in Chinese)
Citation: SHAO Xin, JI Li, ZOU Huaiwu, et al. A parameter calibration method for manipulators based on laser displacement measurement[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(11): 2281-2288. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0093(in Chinese)

一种基于激光位移测量的机械臂参数标定方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0093
基金项目: 

上海市自然科学基金 19ZR1455500

上海市科学技术委员会启明星计划 19QA1403500

上海市空间飞行器机构重点实验室开放课题 YYHT-F805201808013

详细信息
    通讯作者:

    解杨敏, E-mail: xieym@shu.edu.cn

  • 中图分类号: TP241.2

A parameter calibration method for manipulators based on laser displacement measurement

Funds: 

Shanghai Natural Science Foundation 19ZR1455500

Shanghai Science and Technology Committee Rising-Star Program 19QA1403500

Open Project of Shanghai Key Laboratory of Spacecraft Mechanism YYHT-F805201808013

More Information
  • 摘要:

    针对传统机器人参数标定方法, 通常依赖昂贵设备, 技术实现成本高的问题, 提出一种新型低成本的基于激光位移测量的机器人标定系统, 利用安装于机械臂末端的激光位移计进行与外部参照物立方体的相对位置测量, 并设计实现了六自由度机械臂的运动学参数标定方法。基于单维度位移测量值, 采用平面度约束与平面角度约束共同构建误差函数, 并利用非线性优化方法求得最终的标定结果。在实验系统上进行标定方法的验证, 并与利用激光追踪仪标定的实验结果进行对比。实验数据表明:所提方法在操作简便、成本低廉的同时, 能够获得与使用昂贵的外部测量仪器近似的标定效果。

     

  • 图 1  机械臂DH模型坐标系

    Figure 1.  DH model coordinate system of manipulators

    图 2  实验方案

    Figure 2.  Experimental scheme

    图 3  参数标定原理

    Figure 3.  Schematic diagram of parameter calibration

    图 4  激光位移传感器标定实验场景

    Figure 4.  Experimental scene of laser displacement sensor calibration

    图 5  标定板夹角求解实验场景

    Figure 5.  Experimental scene of calibration plate angle solution

    图 6  激光跟踪仪标定实验场景

    Figure 6.  Experimental scene of laser tracker calibration

    图 7  拟合平面结果

    Figure 7.  Graph of fitted plane

    图 8  基于跟踪仪标定后计算坐标和测量坐标对比

    Figure 8.  Comparison of calculated coordinates and measurement coordinates after tracker-based calibration

    图 9  标定误差对比

    Figure 9.  Comparison of calibration errors

    表  1  DH参数

    Table  1.   DH parameters

    关节i 连杆长度ai/mm 连杆偏角αi/(°) 连杆距离di/mm 连杆夹角θi/(°)
    1 0 90 184 θ1
    2 372 0 0 θ2
    3 382 0 0 θ3
    4 0 -90 0 θ4
    5 0 -90 280.4 θ5
    6 36 0 0 θ6
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    表  2  DH误差参数

    Table  2.   DH parameters with kinematic errors

    关节i 连杆长度ai/mm 连杆偏角αi/(°) 连杆距离di/mm 连杆夹角θi/(°)
    1 Δa1 90+Δα1 184+Δd1 θ1θ1
    2 372+Δa2 Δα2 Δd2 θ2θ2
    3 382+Δa3 Δα3 Δd3 θ3θ3
    4 Δa4 -90+Δα4 Δd4 θ4θ4
    5 Δa5 -90+Δα5 280.4+Δd5 θ5θ5
    6 36+Δa6 Δα6 Δd6 θ6θ6
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    表  3  权重μ取值

    Table  3.   Values of weight μ

    μ e1/mm e2/(°)
    0.01 1.04×10-5 67.04
    0.02 0.009 9 13.41
    0.07 1.08 0.67
    0.71 1.2 0.034
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    表  4  DH参数变化值

    Table  4.   Values of DH parameter change

    关节i Δai/mm Δαi/(°) Δdi/mm Δθi/(°)
    粗标定 精标定 粗标定 精标定 粗标定 精标定 粗标定 精标定
    1 -0.19 0.92 -4.52 0.45 -4.40 0.94 -3.35 -0.89
    2 3.09 0.29 5.92 0.04 -2.41 0.92 -1.99 0
    3 0.16 0.19 3.59 0.89 -2.46 0.59 -0.79 0.04
    4 -10.24 0.07 1.78 0.62 -2.57 0.4 3.142 3 0.78
    5 5.84 0.51 -2.56 0.06 -19.35 0 -2.11 0.4
    6 0.95 0.18 5.13 0.33 1.35 0.05 -1.73 0.26
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    表  5  标定实验误差值对比

    Table  5.   Comparison of error values of calibration experiment

    实验类别 误差平均值/mm 最大值/ mm 最小值/ mm 方差/ mm2
    跟踪仪标定前 3.67 6.37 1.24 1.34
    跟踪仪标定后 1.01 3.19 0.11 0.36
    位移计标定前 3.82 6.52 0.82 1.27
    位移计标定后 1.08 3.45 0.01 0.39
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-24
  • 录用日期:  2021-06-13
  • 网络出版日期:  2021-07-12
  • 整期出版日期:  2022-11-20

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