本發(fā)明涉及機(jī)器人參數(shù)辨識(shí)，尤其涉及一種六自由度重載工業(yè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，六自由度串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用日益廣泛。然而，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度受多種因素制約，其中運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵作用。

2、傳統(tǒng)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法存在諸多局限性。在坐標(biāo)系構(gòu)建方面，未充分考慮機(jī)器人特殊關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)參數(shù)的影響，例如對(duì)于可能存在平行關(guān)節(jié)的情況缺乏針對(duì)性處理，易導(dǎo)致模型與實(shí)際運(yùn)動(dòng)偏差。在誤差分析上，僅關(guān)注部分誤差源，往往忽略了如激光跟蹤儀測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)械臂基坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系以及靶球安裝在機(jī)械臂末端法蘭面的距離誤差等因素，使得誤差模型不完整，無法全面反映實(shí)際工況下的誤差情況。而且，在參數(shù)辨識(shí)過程中，大多采用單一的辨識(shí)策略，未區(qū)分關(guān)鍵與非關(guān)鍵參數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算資源浪費(fèi)且精度提升有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種六自由度重載工業(yè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法及系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)篩選出關(guān)鍵參數(shù)，避免在非關(guān)鍵參數(shù)上浪費(fèi)計(jì)算資源，提高了參數(shù)辨識(shí)的效率和精度。

2、本發(fā)明所采用的第一技術(shù)方案是：一種六自由度重載工業(yè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法，包括以下步驟：

3、基于modifiedd-h法，對(duì)六軸機(jī)器人的平行機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行添加旋轉(zhuǎn)參數(shù)，構(gòu)建機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并獲取機(jī)械臂的矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系式；

4、結(jié)合機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與機(jī)械臂的矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系式，構(gòu)建機(jī)械臂末端的位置誤差模型并獲取待辨識(shí)的誤差參數(shù)；

5、基于機(jī)械臂末端的位置誤差模型，對(duì)待辨識(shí)的誤差參數(shù)進(jìn)行全局靈敏度分析，得到待辨識(shí)參數(shù)的全局靈敏度值；

6、基于待辨識(shí)參數(shù)的全局靈敏度值，對(duì)待辨識(shí)的誤差參數(shù)進(jìn)行兩級(jí)辨識(shí)處理，得到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果。

7、進(jìn)一步，所述基于modifiedd-h法，對(duì)六軸機(jī)器人的平行機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行添加旋轉(zhuǎn)參數(shù)，構(gòu)建機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并獲取矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系式這一步驟，其具體包括：

8、對(duì)六軸機(jī)器人的相鄰平行機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行添加一個(gè)繞連桿坐標(biāo)系y軸旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)參數(shù)，構(gòu)建目標(biāo)六軸機(jī)器人；

9、通過modifiedd-h法構(gòu)建目標(biāo)六軸機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系，并根據(jù)相鄰連桿坐標(biāo)系的變換關(guān)系，構(gòu)建若干連桿坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣；

10、將若干連桿坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣依次相乘，構(gòu)建機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；

11、基于機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，引入安裝參數(shù)，構(gòu)建靶球與機(jī)械臂末端法蘭面矩陣變換關(guān)系；

12、基于機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，引入第二旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，構(gòu)建激光跟蹤儀測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)械臂基坐標(biāo)系矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系；

13、整合靶球與機(jī)械臂末端法蘭面矩陣變換關(guān)系與激光跟蹤儀測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)械臂基坐標(biāo)系矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到機(jī)械臂的矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

14、進(jìn)一步，所述結(jié)合機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與機(jī)械臂的矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系式，構(gòu)建機(jī)械臂末端的位置誤差模型并獲取待辨識(shí)的誤差參數(shù)這一步驟，其具體包括：

15、對(duì)機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行微分變換，得到變換后的機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；

16、對(duì)機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行全微分推導(dǎo)，獲取機(jī)器人機(jī)械臂末端的位置誤差；

17、結(jié)合變換后的機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與機(jī)器人機(jī)械臂末端的位置誤差，得到機(jī)器人機(jī)械臂末端的微分變換矩陣；

18、基于機(jī)器人機(jī)械臂末端的微分變換矩陣，確定機(jī)械臂末端的姿態(tài)誤差向量和機(jī)械臂末端的位置誤差向量；

19、聯(lián)立機(jī)器人機(jī)械臂末端的微分變換矩陣、機(jī)械臂末端的姿態(tài)誤差向量和機(jī)械臂末端的位置誤差向量，確定機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差；

20、結(jié)合機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差、靶球與機(jī)械臂末端法蘭面矩陣變換關(guān)系與激光跟蹤儀測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)械臂基坐標(biāo)系矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系，并通過矩陣微分法進(jìn)行分析，得到機(jī)械臂末端的位置誤差模型；

21、根據(jù)機(jī)械臂末端的位置誤差模型獲取待辨識(shí)的誤差參數(shù)。

22、進(jìn)一步，所述基于機(jī)械臂末端的位置誤差模型，對(duì)待辨識(shí)的誤差參數(shù)進(jìn)行全局靈敏度分析，得到待辨識(shí)參數(shù)的全局靈敏度值這一步驟，其具體包括：

23、將待辨識(shí)的誤差參數(shù)映射至預(yù)設(shè)閾值范圍上，并對(duì)機(jī)械臂末端的位置誤差模型進(jìn)行分解，得到待辨識(shí)參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式；

24、根據(jù)條件期望值，獲取待辨識(shí)參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式的子項(xiàng)數(shù)據(jù)；

25、根據(jù)子項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)待辨識(shí)參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行平方可積與方差分解，得到待辨識(shí)參數(shù)集合；

26、獲取待辨識(shí)參數(shù)集合的總靈敏度系數(shù)，并構(gòu)造樣本矩陣進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，獲取待辨識(shí)參數(shù)的全局靈敏度值。

27、進(jìn)一步，所述待辨識(shí)參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式的具體如下所示：

28、

29、上式中，y表示待辨識(shí)參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式，f0表示常數(shù)，n表示參數(shù)數(shù)量，x表示第i個(gè)待辨識(shí)參數(shù)，xj表示第j個(gè)待辨識(shí)參數(shù)，fi表示辨識(shí)參數(shù)xi的函數(shù)子項(xiàng)，fij表示辨識(shí)參數(shù)xi和xj的函數(shù)子項(xiàng)，f1,2,...,n表示待辨識(shí)參數(shù)x1,x2,...,xn的函數(shù)子項(xiàng)。

30、進(jìn)一步，所述待辨識(shí)參數(shù)集合的總靈敏度系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式具體如下所示：

31、

32、上式中，表示參數(shù)xi的全局靈敏度系數(shù)，x～i表示除xi之外的所有變量的集合，xi表示辨識(shí)參數(shù)，表示關(guān)于除參數(shù)xi之外的數(shù)學(xué)期望，表示對(duì)參數(shù)xi的偏方差，var(y)表示對(duì)位置誤差模型函數(shù)的總方差，表示關(guān)于參數(shù)xi的數(shù)學(xué)期望，y表示關(guān)于待辨識(shí)參數(shù)的位置誤差模型函數(shù)。

33、進(jìn)一步，所述基于待辨識(shí)參數(shù)的全局靈敏度值，對(duì)待辨識(shí)的誤差參數(shù)進(jìn)行兩級(jí)辨識(shí)處理，得到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果這一步驟，其具體包括：

34、獲取機(jī)械臂末端的位置誤差數(shù)據(jù)并設(shè)置目標(biāo)函數(shù)；

35、通過最小二乘法對(duì)待辨識(shí)的誤差參數(shù)進(jìn)行初步辨識(shí)，最小化目標(biāo)函數(shù)，得到第一機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果；

36、基于待辨識(shí)參數(shù)的全局靈敏度值篩選獲取待辨識(shí)的關(guān)鍵誤差參數(shù)；

37、通過最小二乘法對(duì)待辨識(shí)的關(guān)鍵誤差參數(shù)進(jìn)行二次辨識(shí)，最小化目標(biāo)函數(shù)，得到第二機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果；

38、整合第一機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果與第二機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果，得到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果。

39、本發(fā)明所采用的第二技術(shù)方案是：一種六自由度重載工業(yè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)，包括：

40、第一模塊，用于基于modifiedd-h法，對(duì)六軸機(jī)器人的平行機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行添加旋轉(zhuǎn)參數(shù)，構(gòu)建機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并獲取機(jī)械臂的矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系式；

41、第二模塊，用于結(jié)合機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與機(jī)械臂的矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系式，構(gòu)建機(jī)械臂末端的位置誤差模型并獲取待辨識(shí)的誤差參數(shù)；

42、第三模塊，用于基于機(jī)械臂末端的位置誤差模型，對(duì)待辨識(shí)的誤差參數(shù)進(jìn)行全局靈敏度分析，得到待辨識(shí)參數(shù)的全局靈敏度值；

43、第四模塊，用于基于待辨識(shí)參數(shù)的全局靈敏度值，對(duì)待辨識(shí)的誤差參數(shù)進(jìn)行兩級(jí)辨識(shí)處理，得到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果。

44、本發(fā)明方法及系統(tǒng)的有益效果是：本發(fā)明基于modifiedd-h法，對(duì)六軸機(jī)器人的平行機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行添加旋轉(zhuǎn)參數(shù)，結(jié)合機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與機(jī)械臂的矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系式，構(gòu)建機(jī)械臂末端的位置誤差模型并獲取待辨識(shí)的誤差參數(shù)，全面考慮多種實(shí)際誤差因素，構(gòu)建出的位置誤差模型更精確，能更真實(shí)地反映機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)中的誤差情況，進(jìn)一步基于機(jī)械臂末端的位置誤差模型，對(duì)待辨識(shí)的誤差參數(shù)進(jìn)行全局靈敏度分析，采用sobol全局靈敏度分析方法，能夠精準(zhǔn)篩選出關(guān)鍵參數(shù)，避免在非關(guān)鍵參數(shù)上浪費(fèi)計(jì)算資源，提高了參數(shù)辨識(shí)的效率和精度，最后基于待辨識(shí)參數(shù)的全局靈敏度值，對(duì)待辨識(shí)的誤差參數(shù)進(jìn)行兩級(jí)辨識(shí)處理，先全面初步辨識(shí)再重點(diǎn)二次辨識(shí)關(guān)鍵參數(shù)，使其能更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)高精度機(jī)械臂操作的需求，增強(qiáng)了機(jī)器人在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性和可靠性。