(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210599027.1 (22)申请日 2022.05.30 (71)申请人 上海大学 地址 200000 上海市宝山区上 大路99号 (72)发明人 解海军　 (74)专利代理 机构 北京维正专利代理有限公司 11508 专利代理师 冯彬 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 19/00(2006.01) (54)发明名称 基于激光跟踪仪通过点线面建系的工业机 器人标定方法 (57)摘要 本发明涉及工业机器人的技术领域， 特别是 涉及一种基于激光跟踪仪通过点线面建系的工 业机器人标定方法， 其包括建立了机器人误差模 型， 并利用数学理论推导出了误差传递公式， 给 定了数据采集前的准备工作， 基于激光跟踪仪的 点‑线‑面坐标系建立方法及相关注意事项， 在参 数辨识过程中， 给出了 奇异值分解最小二乘法的 推导过程， 给出了程序算法的执行流程， 同时， 通 过正向测试集得到DH补偿参数， 通过反向验证集 验证DH补偿参数的有效性， 达到了机器人标定的 目的， 具有提高工业机器人的绝对定位精度的效 果。 权利要求书2页 说明书9页 附图15页 CN 114800526 A 2022.07.29 CN 114800526 A 1.一种基于激光跟踪仪通过点线面建系的工业机器人标定方法， 其特征在于： 包括以 下步骤： 步骤一， 在笛卡尔坐标系下建立机器人的DH运动学模型， 得出机器人末端执行器的坐 标系相对于基坐标系的位姿变换矩阵： ， 所述位姿变换矩阵用于描述机 器人相邻关节坐标系的平移和旋转， 包括关节角度 、 关节长度 、 扭角 和公垂线的长度 ； 其中相邻关节之间， 第一个关节是驱动关节， 后一个关节是被动关节， 即绕着驱动关 节轴线旋转使得驱动关节与被动关节的X轴平行且同向所转过的角度， 是沿着驱动关节 轴线平移使得驱动关节与被动关节的X轴共线所走过 的长度， 是绕着被动关节轴线旋转 使得驱动关节与被动关节的Z轴平行且同向所转过的角度， 是沿着被动关节轴线平移使 得驱动关节与被动关节的Z轴共线所 走过的长度； 步骤二， 针对DH运动学模型中相邻关节平行时的问题引入辅助变量 角， 即绕机器人 相邻关节坐标系中Y轴旋转的微小角度， 的值定义为0， 得出修正后的机器人末端执行器 的坐标系相对于基坐标系的位姿变换矩阵： ； 步骤三， 基于微分运动学理论进行机器人的DH运动误差建模， 得到误差公式： ， 其中 表示位置信息， 表示位姿信息； 基坐标系到 机器人末端执 行器坐标系的误差模型描述 为： ， 泰勒展开后简化 二阶以上微分项得： ， 得出机器人末端执行器误差与DH参数误差 关系： ； 令M= ； ； ； 其中， 表示末端法兰位置的差异， M表示修正DH矩阵的运动学参数系数矩阵；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114800526 A 2机器人运动学参数的误差值为 ， 表示修正后的DH参数误差， 如 果存在多个位置误差和对应的DH参数误差， 则需要求 解超线性方程组； 假设， = ， = ， ， = ； 其中j的范围1~n，n表示位置的数量， 机器人末端执行器误差与DH参数误差的关系最终 转换为 ； 步骤四， 将激光跟踪仪安装在机器人的末端执行器上， 建立激光跟踪仪参考系， 且所述 激光跟踪仪参 考系与机器人基坐标系重合； 步骤五， 在机器人仿真软件上运行并准备至少120组随机点， 在双层规则方形内等间距 采集至少75组点， 在螺 旋线内采集至少45组点； 步骤六， 采用奇异值分解最小二乘迭代算法进行参数辨识， 由超线性方程组 、 奇 异值分解 和最小二乘解 结合得到 ， 其中V和 U是酉矩阵， S是对角矩阵； 述入的内容分别是测量激光跟踪仪靶球的实际位置、 理论关节角度和DH模型的结构参 数， 在测试集中输出关节角度误差和结构参数误差， 输出结合原测试集的输入作为验证集 的输入， 然后验证补偿的效果， 以至少120组随机点作为实验所需数据， 得到补偿前后的误 差， 根据补偿前后对应的最大值、 最小值和平均值计算优化 率， 优化率计算公式为： ， 其中字母 P描述了补偿前 点的误差集， 字母 Q描述了补偿后点的误差集； 步骤七， 补偿参数与原始参数相结合， 验证规则方形和螺旋线所采集的点， 验证集和测 试集的误差在补偿后基本相同， 则表明已经获得位置误差的满意值， 完成机器人绝对定位 精度的标定 。 2.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪通过点线面建系的工业机器人标定方法， 其 特征在于： 在步骤四中在机器人安装面上安装三个靶球， 三个靶球不位于一条直线上以构 造出平面， 在构建的平面下确定坐标 x轴和y轴， 由笛卡尔的右手系统确定坐标 z轴； 记录靶球 中心的Z坐标， 然后将靶球放在机器人的末端执行器上， 旋转第 一关节轴得到 一系列点， 通过圆拟合获得圆心的 X和Y坐标， 最终 X、 Y和Z坐标是激光跟踪仪参考系坐标原 点的位置 。 3.根据权利要求2所述的基于激光跟踪仪通过点线面建系的工业机器人标定方法， 其 特征在于： 采用转接板安装在机器人 的末端执行器上供激光跟踪仪靶球底座吸 附， 根据转 接板的尺寸和靶球及其底座的尺寸规格计算靶球中心相对机器人末端执行器的坐标系的 位姿关系及靶球相对于 机器人底座的理论 位置。 4.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪通过点线面建系的工业机器人标定方法， 其 特征在于： 使用激光跟踪仪测量前开启激光跟踪仪进行 预热。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114800526 A 3