CN108044651A - 一种基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，主要设备包括固定在空间站舱体外侧的空间机械臂和标定装置，二者位姿变换关系已知。标定装置具有双目空间相机与系统控制器。标定方法如下：根据空间机械臂关节构型建立空间机械臂的运动学模型；根据空间机械臂的运动学模型建立空间机械臂运动学参数标定模型；系统控制器向空间机械臂发送指令，使其均匀的运行至50个位置点；在每个位置点处，系统控制器读取空间机械臂的关节角，双目空间相机测量空间机械臂末端位置；系统控制器计算修正后的运动学参数；系统控制器将修正后的运动学参数传输至空间机械臂。本发明具有自动化程度高、空间环境适应性好等特点。

Description

一种基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法

技术领域

本发明属于空间机械臂运动学参数在轨标定领域，涉及一种基于双目视觉的 空间机械臂运动学参数在轨标定方法。

背景技术

随着空间技术的飞速发展，特别是空间站、航天飞机、空间机器人等的诞生 及应用，空间机械臂作为在轨支持、服务的一项关键技术已经进入太空，并越来 越受到人们的关注。通过航天飞机和国际空间站的实际使用，空间机械臂显示出 强大的应用能力和广阔的应用前景，对空间科学和应用的发展起到了很大的带动 作用。特别是空间站在轨服务、深空探测等空间技术领域的迅速发展，对于空间 机械臂技术的需求越来越迫切，而且对其工作能力和性能要求越来越高，对其可 靠性、安全性、寿命等方面也提出了越来越高的要求。

空间机械臂在发射过程会受到巨大作用力，在轨运行时的处在极端射线与温 度环境中，长期使用后容易发生磨损和变形。这些因素不可避免的引起空间机械 臂的运动学参数发生变化，导致空间机械臂无法正常完成在轨支持和服务等任务。

由于在轨环境和空间机械臂结构的特殊性，传统的机械臂运动学参数标定方 法无用于空间机械臂运动学参数的在轨标定。因此，需要一种自动化标定方法实 现空间机械臂运动学参数进行在轨标定，确保机械臂能正常完成在轨支持和服务 等服务。

发明内容

为了解决空间机械臂在轨标定的问题，本发明提出了一种基于双目视觉的空 间机械臂运动学参数在轨标定方法，针对空间机械臂运动学参数在轨标定的特殊 性，利用双目空间相机作为测量设备，给出了空间机械臂运动学参数的在轨标定 方法，该方法自动化程度高，空间适应性好，易于实现。

本发明基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法所涉及空间机 械臂运动学参数在轨标定系统包括空间机械臂和标定装置，均安装固定在空间站 舱体外侧，二者位姿变换关系已知；其中，标定装置包括双目空间相机与系统控 制器；系统控制器负责标定系统的整体控制，分别与空间机械臂和双目空间相机 通信。上述空间机械臂末端安装有靶标，用于提高双目空间相机测量精度。

通过上述标定装置对空间机械臂的标定方法具体步骤如下：

步骤1：根据空间机械臂的关节构型建立空间机械臂的运动学模型；

步骤2：根据步骤一得到的空间机械臂的运动学模型建立空间机械臂运动学 参数标定模型；

步骤3：由系统控制器向空间机械臂发送运动指令，使其均匀运行至50个位 置点，且安装于空间机械臂末端的靶标在每个位置点处均朝向双目空间相机；

步骤4：在每个位置点处，系统控制器读取空间机械臂关节角θ₁～θ₇，并由双 目空间相机测量机械臂末端位置x_j、y_j、z_j，j为位置点个数。

步骤5：系统控制器将50个位置点处的关节角θ₁～θ₇，靶标位置x_j、y_j、z_j和 理论运动学参数代入空间机械臂运动学参数标定模型，计算修正后运动学参数；

步骤6：系统控制器将修正后的运动学参数传输至空间机械臂，完成对空间 机械臂运动学参数的标定。

本发明的优点在于：

1、本发明基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，所涉及的 测量设备为双目空间相机，空间适应性好，无需为空间机械臂运动学参数在轨标 定研发专用的测量设备；

2、本发明基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，所涉及的 空间机械臂末端安装有靶标，可提高双目空间相机的测量精度；

3、本发明基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，涉及的标 定装置包含系统控制器，可在轨计算修正后的运动学参数；

4、本发明基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，自动化程 度高，标定过程可实现无人值守。

附图说明

图1是本发明基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法所涉及的 空间机械臂运动学参数在轨标定系统结构示意图；

图2是空间机械臂运动学参数在轨标定系统中空间机械臂结构示意图；

图3是空间机械臂运动学参数在轨标定系统中空间机械臂坐标系建立示意图；

图4是空间机械臂运动学参数在轨标定系统中标定装置结构示意图；.

图5是本发明基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法流程图。

图中：

1-空间机械臂 2-标定装置 101-空间机械臂基座

102-空间机械臂末端 103-第一关节 104-第二关节

105-第三关节 106-第四关节 107-第五关节

108-第六关节 109-第七关节 110-靶标

201-双目空间相机 202-系统控制器 203-标定装置底座

204-安装台

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

在基于双目视觉的空间机械臂运动学参数在轨标定方法中所涉及的空间机 械臂在轨标定系统，包括空间机械臂1和标定装置2，如图1所示。

所述空间机械臂1包括空间机械臂基座101、空间机械臂末端102以及由机械 臂基座101到空间机械臂末端102间的第一～第七个关节103～109，空间机械臂1通 过空间机械臂基座101安装于空间站舱体外侧，第一～第七个关节103～109之间依 次通过第一～第六根关节连杆相连；并使用MDH方法建立了空间机械臂1各关节坐 标系，如图3所示。标定装置2包含双目空间相机201、系统控制器202、标定装置 203和安装台204，如图4所示。其中，标定装置2通过标定装置底座203安装于空 间站舱体外侧，双目空间相机201安装于标定装置底座203上设计的安装台204上， 其朝向空间机械臂末端102，系统控制器202安装于标定装置底座5，负责标定系 统的整体控制，以及与双目空间相机201和空间机械臂1间的通信；上述空间机械 臂1与标定装置2二者位姿变换关系已知；且空间机械臂末端102上安装有靶标110， 用于提高双目空间相机测量精度，如图2所示。

通过上述标定装置对空间机械臂的标定方法具体步骤如下：

步骤一、根据空间机械臂的关节构型建立空间机械臂的运动学模型：

a、设定双目空间相机坐标系cam到空间机械臂基坐标系base的位姿变换矩阵

其中，θ、ψ分别为欧拉角绕双目空间相机坐标系的Z、Y、X轴旋转角度， dm、dn、do分别为变换矩阵沿X、Y、Z轴方向的平移，c为三角函数cos的缩写， s为三角函数的sin的缩写；

b、使用MDH方法对空间机械臂进行运动学建模，得到七个关节的位姿变换矩 阵T_i ^i-1：

其中，T_i ^i-1为关节坐标系i-1到i的位姿变换矩阵，i＝1,2,...,7，关节坐标系 0与空间机械臂基坐标系base一致；MDH参数包括：第i个关节的连杆扭角α_i，第i 个关节的连杆长度a_i，第i个关节的关节角θ_i，第i个关节的偏距d_i，第i个关节 的扭角β_i,c为三角函数cos的缩写，s为三角函数的sin的缩写。

c、设定关节坐标系7到空间机械臂末端坐标系tool的位姿变换矩阵

其中，为关节坐标系7到空间机械臂末端坐标系tool的位姿变换矩阵， A、B、C分别为欧拉角绕关节坐标系7的Z、Y、X轴的旋转角度，du、dv、dw分 别为变换矩阵沿X、Y、Z轴方向的平移，c为三角函数cos的缩写，s为三角函数的 sin的缩写。

步骤二、根据步骤一得到的空间机械臂的运动学模型建立空间机械臂运动学 参数标定模型；

a、设定双目空间相机坐标系cam到空间机械臂基坐标系base的位姿变换误差 为

其中，δ(dm)为dm的误差值，δ(dn)为dn误差值，δ(do)为do的误差值， 为的误差值，δθ为θ的误差值，δψ为ψ的误差值；

b、设定得到空间机械臂基坐标系base的位姿误差矢量：

其中，^basedx、^basedy、^basedz、^baseδx、^baseδy、^baseδz分别为在空间机械臂基坐标系base下dx、dy、dz、δx、δy、δz的误差，dx、dy、dz分别为变换矩阵沿X、Y、Z轴方 向的位置误差，δx、δy、δz分变为变换矩阵绕X、Y、Z轴方向的姿态误差；

c、设定空间机械臂关节坐标系的位姿变换误差dT_i ^i-1：

其中，δα_i、δa_i、δθ_i、δd_i、δβ_i分别为α_i、a_i、θ_i、d_i、β_i的误差；

d、设定ⁱΔ＝(T_i ^i-1)^-1dT_i ^i-1(i＝1,2,...,7)，可得各关节坐标系的位姿误差矢量：

其中，ⁱdx、ⁱdy、ⁱdz、ⁱδx、ⁱδy、ⁱδz

分别为关节坐标系i下dx、dy、dz、δx、δy、δz的误差；

e、设定得到空间机械臂末端坐标系tool的位姿变换误 差矢量：

其中，^tooldx、^tooldy、^tooldz、^toolδx、^toolδy、^toolδz分别为在空间机械臂末端坐标系tool 下dx、dy、dz、δx、δy、δz的误差，dx、dy、dz分别为变换矩阵沿X、Y、Z轴方 向的位置误差，δx、δy、δz分变为变换矩阵绕X、Y、Z轴方向的姿态误差；

步骤f、设定误差传递关系为：

其中， ⁱdx_tool、ⁱdy_tool、ⁱdz_tool、ⁱδx_tool、ⁱδy_tool、ⁱδz_tool分 别为ⁱdx_tool、ⁱdy_tool、ⁱdz_tool、ⁱδx_tool、ⁱδy_tool、ⁱδz_tool在机械臂末端坐标系tool下的误差表示。

g、将空间机械臂基坐标系base的位姿误差^baseΔ和各关节坐标系的运动学参 数误差矢量ⁱΔ变换到机械臂末端坐标系tool下，得到空间机械臂运动学参数位 姿误差模型：

E_j＝[G_baseH_base G₁H₁ G₂H₂ G₃H₃ G₄H₄ G₅H₅ G₆H₆ G₇H₇ I(6)]Q＝M_jQ

其中，E_j表示在第j个位置点时在空间机械臂末端坐标系tool下的位姿误差， 为6×1阶矩阵；M_j表示在第j个位置点处由空间机械臂基坐标系base和各关节坐 标系的误差矢量到空间机械臂末端坐标系tool位姿误差的位姿变换矩阵，为 6×47阶矩阵；Q表示空间机械臂基坐标系位姿误差矢量、各关节坐标系位姿误 差矢量、机械臂末端坐标系位姿误差矢量组成的47×1阶向量；

h、根据空间机械臂运动学参数位姿误差模型得出空间机械臂运动学参数位 置误差模型：

其中，为E_j的前3行，取M_j的前3行和前44列，Q^p为Q的前44行；

i、根据空间机械臂运动学参数位置误差模型建立空间机械臂运动学参数标 定(误差)模型：

E＝MQ^p (11)

式中

由最小二乘法可得空间机械臂运动学参数标定(误差)模型为：

Q^p＝(M^TM)^-1M^TE (12)

根据上式可计算空间机械臂运动学参数误差Q^p。

步骤三、根据机械臂的结构和参数,选择空间机械臂工作空间中的立方体， 由系统控制器向空间机械臂发送运动指令，使其末端均匀的到达立方体中的50 个位置点，且安装于空间机械臂末端的靶标在每个位置点时均朝向双目空间相机；

步骤四、在每个位置点处，系统控制器读取空间机械臂关节角θ₁-θ₇，并由 双目空间相机测量机械臂末端位置x_j、y_j、z_j，即标靶位置；

步骤五，系统控制器将50个位置点处的关节角θ₁-θ₇的值、机械臂末端位置 x_j、y_j、z_j代入步骤二得到的空间机械臂运动学参数标定模型，计算修正后的运 动学参数，并进行多次迭代，直至运动学参数误差精度满足要求；

步骤六、系统控制器将步骤五得到的修正后的运动学参数传输至空间机械臂， 完成对空间机械臂运动学参数的在轨标定。

Claims (3)

1.一种基于双目空间相机的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，其特征在于：通过下述步骤完成：

步骤1：根据空间机械臂的关节构型建立空间机械臂的运动学模型；

步骤2：根据步骤一得到的空间机械臂的运动学模型建立空间机械臂运动学参数标定模型；

步骤3：由系统控制器向空间机械臂发送运动指令，使其均匀运行至50个位置点，且安装于空间机械臂末端的靶标在每个位置点处均朝向双目空间相机；

步骤4：在每个位置点处，系统控制器读取空间机械臂关节角θ₁～θ₇，并由双目空间相机测量机械臂末端位置x_j、y_j、z_j，j为位置点个数。

步骤5：系统控制器将50个位置点处的关节角θ₁～θ₇，靶标位置x_j、y_j、z_j和理论运动学参数代入空间机械臂运动学参数标定模型，计算修正后运动学参数；

步骤6：系统控制器将修正后的运动学参数传输至空间机械臂，完成对空间机械臂运动学参数的标定。

2.一种基于双目空间相机的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，其特征在于：涉及到一种空间机械臂运动学参数在轨标定系统，主要设备包括空间机械臂和标定装置，均安装固定在空间站舱体外侧，二者位姿变换关系已知；其中，标定装置包括双目空间相机与系统控制器；系统控制器负责标定系统的整体控制，分别与空间机械臂和双目空间相机通信。

3.一种基于双目空间相机的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，其特征在于：空间机械臂末端安装有靶标，用于提高双目空间相机测量精度。