六自由度液压机械臂运动学标定和逆解研究

doi:10.3901/JME.2025.02.346

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (2): 346-357.doi: 10.3901/JME.2025.02.346

• 交叉与前沿 • 上一篇

扫码分享

六自由度液压机械臂运动学标定和逆解研究

梁相龙¹, 姚志凯², 邓文翔¹, 姚建勇¹

1. 南京理工大学机械工程学院南京 210094;
2. 南京邮电大学自动化学院南京 210023

收稿日期:2024-01-07 修回日期:2024-07-13 发布日期:2025-02-26
作者简介:梁相龙，男，1997年出生，博士研究生。主要研究方向为液压机械臂运动控制及机电液伺服系统智能控制。E-mail：xlliang.njust@gmail.com;姚志凯，男，1991年出生，博士，讲师。主要研究方向为机电液伺服系统智能控制和强化学习控制。E-mail：zacyao.cn@gmail.com;姚建勇(通信作者)，男，1984年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为机电液系统伺服控制，动态系统故障检测与容错，半实物动态仿真技术。E-mail：jerryyao.buaa@gmail.com
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFB2011300)和国家自然科学基金(52075262，52275062)资助项目。

Research on Kinematic Calibration and Inverse Solution of 6-DOF Hydraulic Manipulator

LIANG Xianglong¹, YAO Zhikai², DENG Wenxiang¹, YAO Jianyong¹

1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094;
2. College of Automation, Nanjing University of Post and Telecommunication, Nanjing 210023

Received:2024-01-07 Revised:2024-07-13 Published:2025-02-26

摘要/Abstract

摘要： 鉴于运动学标定能够有效地提高机械臂的定位精度且逆运动学求解是控制机械臂正确运动的关键。以六自由度液压机械臂为研究对象，采用M-DH方法和几何映射方法分别实现了液压机械臂Ⅰ型运动学和Ⅱ型运动学误差建模，然后基于列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt, L-M)算法辨识误差参数。另外考虑到机械臂存在几何参数误差，无法应用反变换法求解机械臂的逆运动学，为此提出一种结合解析解法和偏微分理论的逆解计算方法。仿真试验结果表明，经过L-M算法标定后，液压机械臂的末端位置误差从3.032 9 mm下降到0.007 0 mm，效果提升99.77%，液压缸1的位置误差从1.276 2 mm下降到0.000 3 mm，效果提升99.98%，液压缸2的位置误差从1.167 0 mm下降到0.001 2 mm，效果提升99.90%，证明了标定算法的有效性。此外仿真结果还表明所提出的逆解计算方法可有效地获得机械臂逆解。

关键词: 液压机械臂, 运动学标定, Ⅰ型运动学误差建模, Ⅱ型运动学误差建模, 逆运动学

Abstract: In view of the fact that kinematics calibration can effectively improve the positioning accuracy of the robotic manipulator and inverse kinematics solution is the key to controlling the correct motion of the robotic manipulator. Taking the six-degree-of-freedom(6-DOF) hydraulic manipulator as the research object, the M-DH method and the geometric mapping method are utilized to establish the Ⅰ-type and Ⅱ-type kinematic error models of the hydraulic manipulator, and then the kinematic parameter deviations are identified based on the Levenberg-Marquardt(L-M) algorithm. In addition, the inverse transformation method cannot be leveraged to solve the inverse kinematics because of geometric parameter errors in the robotic manipulator. Therefore, an inverse solution calculation method combining analytical solution and partial differential theory is proposed. The simulation results reveal that after calibration by the L-M algorithm, the end position error of the hydraulic manipulator is reduced from 3.032 9 mm to 0.007 0 mm, the effect is improved by 99.77%, the position error of hydraulic cylinder 1 is reduced from 1.276 2 mm to 0.000 3 mm, the effect is increased by 99.98%, and the position error of hydraulic cylinder 2 is reduced from 1.167 0 mm to 0.001 2 mm, the effect is increased by 99.90%, which illustrates the validity of the calibration algorithm. Moreover, the simulation results also reveal that the proposed inverse solution calculation method can effectively obtain the inverse solution of the robotic manipulator.

Key words: hydraulic manipulator, kinematic calibration, Ⅰ-type kinematic error modeling, Ⅱ-type kinematic error modeling, inverse kinematics

中图分类号:

TP242

梁相龙, 姚志凯, 邓文翔, 姚建勇. 六自由度液压机械臂运动学标定和逆解研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 346-357.

LIANG Xianglong, YAO Zhikai, DENG Wenxiang, YAO Jianyong. Research on Kinematic Calibration and Inverse Solution of 6-DOF Hydraulic Manipulator[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(2): 346-357.

参考文献

[1] 丁孺琦，王振，程敏，等. 基于模型控制的液压机械臂高精度轨迹跟踪[J]. 机械工程学报，2023，59(14)：298-309. DING Ruqi，WANG Zhen，CHENG Min，et al. Model-based control of the hydraulic manipulator for the high-precision trajectory tracking[J]. Journal of Mechanical Engineering，2023，59(14)：298-309.
[2] CHENG Min，SUN Bolin，DING Ruqi，et al. A multi-mode electronic load sensing control scheme with power limitation and pressure cut-off for mobile machinery[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2023，36(1)：29.
[3] SAMAD H，MIRMIRANI M. Improving the absolute positioning accuracy of robot manipulators[J]. Journal of Robotic Systems，1985，2(4)：397-413.
[4] SAMAD H，MIRMIRANI M. Improving the absolute positioning accuracy of robot manipulators[J]. Journal of Robotic Systems，1985，2(4)：397-413.
[5] STONE H W，SANDERSON A C. Statistical performance evaluation of the S-model arm signature identification technique[C]// IEEE International Conference on Robotics and Automation，1988：939-946.
[6] OKAMURA K，PARK F C. Kinematic calibration using the product of exponentials formula[J]. Robotica，1996，14(4)：415-421.
[7] GAO Guanbin，SUN Guoqing，NA Jing，et al. Structural parameter identification for 6 DOF industrial robots[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2018，113：145-155.
[8] CHENG Fan，ZHAO Guoliang，ZHAO Ji，et al. Calibration of a parallel mechanism in a serial-parallel polishing machine tool based on genetic algorithm[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2015，81(1)：27-37.
[9] GAO Guanbin，LIU Fei，SAN Hongjun，et al. Hybrid optimal kinematic parameter identification for an industrial robot based on BPNN-PSO[J]. Complexity，2018，2018：4258676.
[10] 房立金，党鹏飞. 基于量子粒子群优化算法的机器人运动学标定方法[J]. 机械工程学报，2016，52(7)：23-30. FANG Lijin，DANG Pengfei. Kinematic calibration method of robots based on quantum-behaved particle swarm optimization[J]. Journal of Mechanical Engineering，2016，52(7)：23-30.
[11] JIANG Zhihong，ZHOU Weigang，LI Hui，et al. A new kind of accurate calibration method for robotic kinematic parameters based on the extended kalman and particle filter algorithm[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，65(4)：3337-3345.
[12] 赵京，龚世秋，张自强. 7自由度拟人臂仿人运动的逆运动学解析解[J]. 机械工程学报，2018，54(21)：25-32. ZHAO Jing，GONG Shiqiu，ZHANG Ziqiang. Analytical inverse kinematics of anthropomorphic movements for 7-DOF humanoid manipulators[J]. Journal of Mechanical Engineering，2018，54(21)：25-32.
[13] 林阳，赵欢，丁汉. 基于多种群遗传算法的一般机器人逆运动学求解[J]. 机械工程学报，2017，53(3)：1-8. LIN Yang，ZHAO Huan，DING Han. Solution of inverse kinematics for general robot manipulators based on multiple population genetic algorithm[J]. Journal of Mechanical Engineering，2017，53(3)：1-8.
[14] 孙恒辉，赵爱武，李达，等. 基于新旋量子问题改进一类6R串联机器人逆解算法[J]. 机械工程学报，2016，52(1)：23-30. SUN Henghui，ZHAO Aiwu，LI Da，et al. Improvement of the algorithm of the inverse kinematics calculation for 6-R series robots based on one novel paden-kahan sub-problem[J]. Journal of Mechanical Engineering，2016，52(1)：23-30.
[15] DERELI S，KOKER R. A meta-heuristic proposal for inverse kinematics solution of 7-DOF serial robotic manipulator：Quantum behaved particle swarm algorithm[J]. Artificial Intelligence Review，2020，53(2)：949-964.

六自由度液压机械臂运动学标定和逆解研究

Research on Kinematic Calibration and Inverse Solution of 6-DOF Hydraulic Manipulator

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	杨晓航, 赵智远, 李云涛, 徐梓淳, 赵京东. 基于可操作度优化的冗余机械臂逆运动学求解方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 22-33.
[2]	石建平, 徐永驰, 古训, 陈冬云. 面向冗余机械臂逆运动学问题的人工蜂群算法改进[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 60-70.
[3]	赵京, 周振勇, 张自强. 冗余度机械臂的自运动流形计算及关节轨迹规划[J]. 机械工程学报, 2023, 59(5): 77-88.
[4]	张英, 冯征征, 李剑, 魏世民, 廖启征. 基于CGA的7自由度冗余机械臂逆运动学臂型角参数化方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(23): 68-75.
[5]	钟献有, 王鹤霖, 刘成菊, 陈启军. 基于最小运动变换的臂角参数化冗余机械臂逆运动学求解方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(15): 40-49.
[6]	丁孺琦, 王振, 程敏, 徐兵, 刘子辰. 基于模型控制的液压机械臂高精度轨迹跟踪[J]. 机械工程学报, 2023, 59(14): 298-309.
[7]	陈菲菲, 居鹤华, 刘潇晗. 一种高精度求解多轴机器人逆运动学的方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(1): 50-58.
[8]	张俊, 鲍雨菲, 方汉良, 宋亚庆. 新型5轴混联加工单元的后置处理算法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(1): 298-308.
[9]	陈菲菲, 居鹤华, 余萌, 康杰, 孙帅. 一种分析四元数及其在6R机械臂逆运动学中的应用[J]. 机械工程学报, 2022, 58(9): 31-40.
[10]	赵智远, 赵京东, 赵亮亮, 杨晓航, 刘宏. 求解SSRMS构型空间机械臂逆运动学的方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(3): 21-35.
[11]	张英, 黄起能, 廖启征, 杨旭, 魏世民. 空间6R串联机械手逆运动学分析的新方法研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(19): 1-11.
[12]	罗任峰, 王旭浩, 张大卫, 张培伦, 赵臣. 一种6R非球型手腕机器人逆运动学算法研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(19): 68-76.
[13]	白明, 张明路, 张赫, 庞淋峻, 赵杰. 面向高精度显微手术机器人的RCM机械臂误差补偿方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(18): 170-180.
[14]	付津昇, 丁雅斌, 刘海涛, 肖聚亮, 黄田. 一种移动加工机器人的视觉定位方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(14): 25-34.
[15]	夏纯, 张海峰, 李秦川, 柴馨雪. 基于等效运动链的并联机器人运动学标定方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(14): 71-84.