基于旋量理论与误差分步辨识的多自由度关节机器人定位精度分析与补偿方法研究

The industrial robot usually has a high repeat positioning accuracy and a low absolute positioning accuracy. To address the problem, this project is to research on analysis and compensation of positioning accuracy for multi-joint robots. Firstly, based on screw theory, the product of exponentials (POE) formula is used to describe the motion transmission relationship of multi-joint robots, and the kinematics model and the error model of multi-joint robots are established. Secondly, to extend the measurement range of the laser tracker instrument during the calibration, an adaptive installing device is developed for working together with laser tracker instrument. Meanwhile, to improve the identification accuracy of robots, a multi-step identification method based on multi-scale feature of errors is presented in order to measure and identify error parameters for robots, such as installation errors, structure parameters and kinematic parameters of robots. Thirdly, an error compensation method based on the Jacobian matrix of movement twist is presented; a multi-input single-output distribution model of volumetric errors among the whole workspace of robots is established based on the accuracy measurement. And by combining the Jacobian matrix of movement twist and position and orientation of tools, compensation value of each robot joint is decoupled, then the accuracy compensation of robots is carried out. Finally, the experimental approach is adopted in order to verify the feasibility and effectiveness of the compensation theory and method. The successful implementation of this project will provide the theoretical basis for error compensation of industrial robots.

针对工业机器人普遍存在重复定位精度较高而绝对定位精度较低的共性问题，本项目拟对多自由度关节机器人的定位精度分析与补偿方法展开研究。首先，根据旋量理论，引入指数积公式描述机器人的运动传递关系，建立机器人运动学模型和误差模型；其次，为了实现覆盖机器人工作空间的误差测量，研发一种具有自适应协同能力的激光跟踪仪反射镜安装装置；同时，为提高机器人误差辨识精度，根据误差多尺度特征，提出一种多层级的误差分步辨识方法，对测试安装误差、机器人结构参数和运动参数等进行辨识；再次，提出一种基于运动螺旋雅可比矩阵的机器人误差补偿理论，根据测量数据建立机器人工作空间的多输入单输出的误差矢量分布模型，并结合机器人运动学误差模型和工具位姿，解耦出各运动关节的补偿量，实现面向加工过程的机器人工作空间的误差补偿；最后，通过实验验证该补偿方法的可行性和有效性。项目的成功实施可为机器人的误差补偿提供必要的理论依据。

机器人既是先进制造业的关键支撑装备，也是改善人类生活方式的重要切入点。本项目针对工业机器人大多存在重复定位精度较高而绝对定位精度较低的共性问题，围绕多自由度关节机器人的定位精度分析与补偿方法展开研究。主要研究内容包括：多自由度关节机器人精度分析理论与误差建模方法；机器人几何误差测量与辨识方法；面向工作空间的机器人误差补偿方法。. 围绕这些研究内容取得了以下研究结果：1.结合旋量理论，引入指数积公式建立了多自由度关节机器人的运动学模型和位姿误差模型。该模型具有完整的几何表示方法，且与机器人运动部件的传递顺序无关，因此可简化机构的分析，有利于实现计算机通用建模。2.开发了具有可视化功能的工业机器人运动学综合分析平台，主要包括机器人参数模块、正运动学模块、逆运动学模块和运动轨迹模块等。3.根据机器人误差的多尺度特征，提出一种多层级的误差分步辨识方法，对测试安装误差、机器人结构参数和运动参数等进行分步辨识，提高了机器人的参数辨识精度。4.发明一种具有自适应协同能力的激光跟踪仪反射系统，解决了测量时跟踪仪因大范围测量或断光原因需多次搭建的问题，为实现机器人工作空间的精度测量提供有效的测量工具。5.提出了基于运动螺旋雅可比矩阵的机器人误差补偿理论，并结合运动学模型的雅可比矩阵和误差源性质，给出了相应的多层级误差补偿策略；建立了机器人整个工作空间的误差矢量分布模型，为面向工作空间的误差补偿提供数据支撑。. 本项目的研究成果可为机器人的精度测量和误差补偿提供理论依据，具有重要的理论意义和应用价值。