基于D-H模型的机器人运动学参数标定方法
摘要：通用机器人视觉检测站中的机器人是整个测量系统中产生误差的最主要环节，而机器人的连杆参数误差又是影响其绝对定位精度的最主要因素。借助高精度且可以实现绝对坐标测量的先进测量设备——激光跟踪仪，及其功能强大的CAM2 Measure 4.0配套软件，并利用串联六自由度机器人运动的约束条件，重新构建起D-H模型坐标系，进而对运动学参数进行修正，获得关节变量与末端法兰盘中心位置在基坐标系下的准确映射关系，以提高机器人的绝对定位精度，最后通过进一步验证，证明取得了较为理想的标定结果。
关键词：视觉检测站；工业机器人；绝对定位精度；激光跟踪仪；D-H模型；
Robot kinematic parameters calibration based on D-H model
Abstract：Robot for universal robot visual measurement station is the most primary part causing errors in the entire system and link parameter errors of industrial robot have a great influence on accuracy. Employing laser tracker, which can offer highly accurate measurement and implement ADM (absolute distance measurement), as well as relevant software, making use of movement constrain of series-wound six-degree robot, D-H model coordinates were rebuilt. Accordingly, kinematic parameters were modified, and precise mapping from joint variables to the center of the end-effector in base coordinate was obtained and accuracy got improved. At last, result is proved acceptable by validation.
Keywords: visual measurement station; industrial robot; accuracy; laser tracker; D-H model;
引言：随着立体视觉技术的不断完善与发展，利用机器人的柔性特点，发展基于立体视觉的通用测量机器人三维测试技术逐渐成为各大机器人生产厂家非常重视的市场领域。机器人的运动精度对于工业机器人在生产中的应用可靠性起着至关重要的作用。机器人各连杆的几何参数误差是造成机器人系统误差的主要环节，它主要是由于制造和安装过程中产生的连杆实际几何参数与理论参数值之间的偏差造成的。通常，机器人以示教再现的方式工作，轨迹设定好之后，只在某些固定点之间运动，这种需求使得机器人的重复性精度被设计得很高，可以达到0.1毫米以下，但是绝对定位精度很差，可以到2、3毫米，甚至更大[1]。常见的标定方法可分为三类：一、建立微分运动学模型，然后借助标定工具测量一定数目的机器人姿态，最后用反向求解的方法得到真实值与名义值之间的偏差[2]。二、使用标定工具获得一系列姿态的数据，然后对数据用线性或非线性迭代求解的方法得到机器人几何参数的修正值[3],[4]。
三、建立机器人运动学模型，用直接测量的方法修正模型参数[5],[6],[7],[8]。最近，世界著名工业机器人生厂商ABB公司运用了莱卡激光跟踪仪以保证其产品的精度。使用激光跟踪仪标定机器人不再需要其它的测量工具，从而也就省去了标定测量工具的繁琐工作；同时，这一方法是对机器人的各个运动学几何参数进行修正，结果会使机器人在整个工作空间内的位姿得到校准，而不会像用迭代求解的方法那样，只是对某些测量姿态进行优化拟合，可能会造成在非测量点处残留比较大的误差；再者，随着机器人的机械磨损，机器人的运动学参数需要重新标定，而激光跟踪仪测量系统配置起来简单，特别适合于工业现场标定。正是鉴于以上优点，本文拟采用激光跟踪仪作为测量工具去修正机器人的运动学参数。
机器人模型的建立：标定对象是ABB公司生产的6自由度IRB2400/10型串联闭环机器人，测
量工具是FARO 公司的X i 型激光跟踪仪，该仪器测量绝对距离的精度为20μm + 1.1μm/m 。 目前被广泛运用的机器人运动学模型是D-H 模型[9]。为遵从这一模型，要按照如下原则建立坐标系：
1. 确定Z i 轴。基本原则是：Z i 轴沿关节i+1的轴向。
2. 确定原点O i 。基本原则是：O i 在过Z i-1和Z i 轴的公法线上。
3. 确定X i 轴。基本原则是：X i 轴过Z i-1和Z i 轴的公法线方向，从Z i-1指向Z i 。
4. 确定Y i 轴。基本原则是：Y i =Z i ⨯X i ，使坐标系为右手坐标系。 这样就能建立起如图1所示的坐标系系统。
D-H 参数的表示：
1. 杆件长度i a 定义为从1i Z -到i Z 的距离，沿i X 轴指向为正。
2. 杆件扭角i α定义为从1i Z -到i Z 的转角，绕i X 轴正向转动为正，且规定(,]i αππ∈-。
3. 关节距离i d 定义为从1i X -到i X 的距离，沿1i Z -轴指向为正。
4. 关节转角i θ定义为从1i X -到i X 的转角，绕
1i Z -轴正向转动为正，且规定(,]i θππ∈-。
有了这样的定义，可以得到相邻关节之间的齐次变换矩阵：
1()()()()i i z i
z i x i x i A Trans d Rot Trans a Rot θα-=00001i i i i i i i i i i i i i i i i i c c s s s a c s c c s c a s s c d αααααα-⎛⎫ ⎪-
⎪= ⎪ ⎪⎝⎭
,i=（1,2,4,5,6）。 然而，当相邻两根轴线平行或近乎平行时，末端法兰盘的位置误差并不能通过修正D-H 参数来消除。为了避免这种数值不稳定的奇异性，再引入一个绕Y 轴的转角参数，记作β
[10]
。
1()()()()()i i z i z i x i x i y i A Trans d Rot Trans a Rot Rot θαβ-=, c o s
0s i n 00100()sin 0cos 00001i i y i i i Rot βββββ⎛⎫ ⎪
⎪= ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭
, (i=3)。
最后得到基坐标系到末端法兰盘坐标系的变换矩阵00123456123456A A A A A A A =*****。
标定原理与数据测量：本文做的工作就是获得实际的D-H 参数，为达到这一目的只需要重
图1 机器人的D-H 模型
