上海交通大学高峰教授团队：六足移动加工机器人的运动学标定| CJME论文推荐
Liu, J., Chen, Z. & Gao, F. Kinematic Calibration of a Six-Legged Walking Machine Tool. Chin. J. Mech. Eng. 35, 34 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-022-00688-2
本团队针对复杂环境下大型工件的现场加工作业，提出一种新型的将并联操作手与六足步行机器人相结合的六足移动加工机器人。由于加工、装配误差的客观存在，机器人的实际运动学参数必然与设计值之间存在偏差，这些偏差导致了机器人的末端运动位姿偏离指令位姿，影响了机器人的末端运动精度。运动学标定是提升机器人运动精度的有效手段，然而足式机器人的标定研究目前较为稀缺。本文研究目的是，针对该六足移动加工机器人提出合理有效的标定建模方法和实验流程，辨识机器人的真实运动学模型，以提升机器人末端运动精度。
图1 机器人结构
首先，基于各支链的运动学反解残差分别建立了2-UPS&UP构型的并联腿和6-PSU 构型的并联操作手的误差模型，以运动支链为单位对运动学参数进行分组，实现待辨识参数的部分解耦。然后，使用激光跟踪仪作为测量设备，针对移动加工六足机器人这一多末端、无固定基座的特殊标定对象，设计了完整的标定流程，在无须外部固定装置的前提下即可完成对机器人多个足尖的测量，并完成了标定实验。接下来，在参数辨识的过程中，首先采用球面拟合的方式辨识各腿的髋关节中心，随后依据运动学反解中各支链关节坐标的求解依赖关系，通过最小二乘法依次对各支链的运动学参数进行辨识，通过这种分步辨识的方法，降低参数辨识问题的复杂度。标定后，将辨识出的运动学参数代入到机器人的控制程序中，令机器人的各腿和并联操作手运动到若干给定的验证位形，测量机器人末端运动误差，以验证标定结果的准确度。最后测量机器人的身体和并联操作手各自独立运动的轨迹精度以及两者联动的轨迹精度，综合体现该六足移动加工机器人的精度性能。
图2 标定试验设置
移动加工六足机器人的六条腿和并联操作手均完成标定。由于各腿的机构构型相同，以1号腿为例说明2-UPS&UP并联腿部机构的标定结果。经过标定，1号腿各驱动关节的最大反解残差从5.48mm减小到0.12mm，6-PSU并联操作手的最大反解残差从0.7mm减小到0.04mm。六足移动加工机器人的末端运动精度得到明显提升，在验证位形下，1号腿末端的运动误差由14.83mm减小至1.13mm，作业平台的动平台位置误差由0.53mm减小至0.07mm，姿态误差由2.5e−3 rad减小至2.1e−3 rad，证明了所提出的标定方法的有效性。六足机器人在站立状态下身体运动的轨迹误差从标定前的2.1mm减小到1.3mm。显然，各腿运动精度的提升也有助于提高身体运动精度。并联操作手的轨迹误差也从标定前的0.54mm减小到0.048mm。六足机器人身体和并联操作手的协同运动，在±50mm运动范围内的误差可达0.7mm，主要受身体运动误差的影响。实验结果对机器人的运动规划具有指导意义，并联操作手运动精度明显高于六足机器人身体的运动，在进行高精度作业时，应尽可能使身体保持不动。
本文基于运动学反解残差推导建立了六足移动加工机器人的三自由度并联腿和六自由度并联操作手的误差模型，提出了分步标定的运动学标定方法，使待辨识参数部分解耦。针对该特殊标定对象设计了一套完整的标定流程，实现对机器人多个末端的测量，通过实验验证了该标定方法的有效性，提高了机器人的末端运动精度。
本文提出的以支链为单位进行参数分离的分步标定方法可推广至其他并联机构的标定。本文所提出的标定流程可推广至其他足式机器人的标定。本文通过实验分析得到的机器人精度性能对六足移动加工机器人的作业规划具有指导意义。
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高峰，男，1956 年生，上海交通大学教授、博士生导师；曾任河北工业大学校长、上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室主任；2001年获国家杰出青年科学基金，2013年任首席科学家主持国家973计划；担任Chinese Journal of Mechanical Engineering编委会副主任，美国 ASME Mechanism & Robotics Committee委员、国际著名杂志 ASME Transactions Journal of Mechanism and Robotics 和 Journal of Mechanical Design、IFToMM Mechanism and Machine Theory 的 Associated Editor；主要研究方向是并联机器人设计理论及其应用技术；出版中英文专著3部；发表 SCI 论文 192篇，SCI他引1642次；获国家自然科学二等奖1项（排第一），省部级自然科学、科技发明和科技进步一等奖5项，ASME达芬奇设计与发明奖、何梁何利科学与技术进步奖，获国家发明专利授权79项。
团队研究方向包括并联机器人和六足机器人的设计、控制与运动规划，以及机器人基础部件如力/力矩传感器的设计开发。
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编辑：谢雅洁 校对：向映姣
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