基于球杆仪的三自由度串联机械臂运动学标定方法研究

考虑所标定机械臂的几何结构特点,采用修正五参数法描述参数误差并建立机械臂末端位置误差模型;在机械臂零位标定基础上,采用单球杆一次安装测得标定所需数据;基于机械臂和球杆仪所组成闭链的几何约束条件和末端位置误差模型建立参数误差辨识模型,并用非线性最小二乘迭代法求得几何参数误差。完成了标定实验,并采用综合误差补偿法进行了机械臂误差补偿。在给定的两条测试轨迹上,球杆长度变化差分别由标定前的0.395 mm、0.456 mm减小到标定后的0.005 mm、0.010 mm。研究表明:该标定方法有效正确,提高了机械臂的位置精度。     

工业坐标测量机器人定位误差补偿技术

由通用工业机器人和视觉传感器组成的柔性坐标测量系统是视觉检测技术在工业在线测量领域的重要应用。工业机器人的机械结构和控制过程复杂,因此其定位误差成为影响系统测量精度的最主要因素,但可以通过修正连杆参数的方式加以补偿。以MD-H运动学模型为基础,建立机器人工具中心点(Tool center point,TCP)的基于相对定位精度的定位误差补偿模型,避免坐标在不同坐标系转换过程中产生精度损失。对与机器人测量姿态有关的柔度误差进行针对性补偿,通过建立柔性关节的弹性扭簧模型,将柔度误差分解为外加负载柔度误差和机械臂自重柔度误差分别进行补偿。标定过程中使用激光跟踪仪作为外部高精度测量设备,只需在单点测量模式下就能实现对TCP的三维坐标采集,大大简化数据采集过程。经过补偿后,标定点处的方均根误差由之前的1.230 2 mm降至0.428 8 mm,验证点处的则由0.723 6 mm降至0.505 4 mm。     

连续体机械臂振动特性研究

连续体机械臂的振动是制约其应用的重要因素,在不同的伸长量及不同的弯曲角度下,其振动的阻尼固有频率与衰减系数是不同的,且无法通过理论计算得出,这为连续体机械臂在运动中振动抑制带来了困难。本研究开发了可变长度的连续体机械臂实验平台,利用加速度传感器测量连续体机械臂在不同位姿时,对连续体机械臂末端给定牵引长度并释放时加速度,采用基于参数识别方法标定了连续体机械臂末端振动特性参数,标定了不同位姿参数下连续体机械臂的一阶阻尼固有频率与衰减系数,得到一阶阻尼固有频率与衰减系数关于连续体机械臂长度与弯曲角度的函数。结合加速度传感器所测连续体机械臂末端角速度得到了完整的连续体机械臂末端振动模型。最后通过实验对末端点振动模型进行验证,误差小于10%。     

Delta机器人刚-柔混合位置误差建模与补偿分析

以Delta机器人系统为研究对象。首先,根据其机构特点,基于几何空间矢量法,建立了刚体系统误差模型。其次,根据柔性杆件弹性变形特性,基于空间有限元理论,在建立系统弹性动力学模型的基础上建立了柔体系统误差模型。然后,综合考虑两种误差模型建立了系统的刚-柔混合位置误差模型。经分析,提出了一种通过调整主动臂输入角的实际值对动平台位置误差进行补偿的方案,并利用Newton插值法阐述了寻求任意时间点处误差补偿值的算法步骤,在关节空间中对主动臂进行了基于修正梯形模式的轨迹规划。最后,利用试验算例对刚-柔混合位置误差模型与补偿方案进行了验证分析。     

基于高斯模型和视觉测量的机械臂在线自标定方法研究

对于在空间站、核电站或其他无人环境中工作的特种机械臂,过载、碰撞、振动、温度变化和应力释放等都会对结构几何参数产生影响,长期使用操作精度会不断降低.因此,当无人操作机械臂在执行高精度操作或维护时,应进行自主标定以提高操作精度.提出了一种基于多标识点的在线自标定方法,用固定在机械臂末端的相机测量1～3个标识点,形成非稳态多传感器手眼系统.针对系统存在的运动误差和传感器测量误差,提出了高斯运动(GM)方法,建立了可行的标定模型,并将线性二次型调节器(LQR)控制与扩展卡尔曼滤波(EKF)相结合,实现了误差影响下的标定运动轨迹跟踪.同时,在视觉系统存在测量误差和标识点非稳态识别造成间歇信号反馈时,为了形成高精度、稳定的信号采集,提出了基于蒙特卡罗方法,根据测量点方差筛选最优测量点.为了更加契合机械臂几何误差形态,采用了 DH增广模型,一次逼近30个模型参数.基于中国空间站的生命科学手套箱机械臂的数据比较分析和试验结果证明了所提方法的有效性和可行性.     

航向测量系统中三轴磁传感器标定的等效两步法

针对航向测量系统中三轴磁传感器误差参数标定问题提出了等效两步法。通过奇异值分解将测量模型等效为一组坐标变换,分析误差参数的几何意义及等效变换方法的意义与特点,依据几何意义将标定过程分为两步进行,即等效传感器坐标系标定及等效非对准标定。利用椭球面方程系数计算等效传感器坐标系误差参数,明确椭球法标定参数的几何意义;应用主成分分析法进行等效非对准标定,分析传统主成分分析法产生符号错误及非正交问题的原因与影响,并研究符号修正与正交修正方法。等效两步法的标定过程不需要航姿参考、地磁信息及辅助传感器,实验表明其航向角校正精度与点积不变法相当。     

基于运动学参数标定方法的机械臂 误差分析与仿真研究

针对工作任务复杂或环境多变,且对机械臂精度要求较高的工业生产需求等问题,基于运动学参数标定方法进行了机械臂的误差分析与Matlab仿真。介绍了定位精度以及定位误差的来源,针对机械臂运动学标定的方法步骤,采用矩阵法对运动学参数标定误差模型进行了建模分析,推导出了运动学参数误差模型的通用形式,并添加一个微小的增量进行了误差补偿;采用Matlab对机械臂运动学参数误差模型进行了仿真分析,验证了所建立的误差模型的正确性。研究结果表明:基于运动学参数标定方法的机械臂误差分析能很好地提高机械臂的精度,使机械臂能够准确完成预期的位姿要求,对于进一步提高机械臂的精度有较好的指导作用。     

基于最优测量结构选择的机械臂参数标定

测量仪器会产生随机误差,针对其引起测量位姿"再现"运动学参数误差能力差的问题,提出了一种基于最优测量结构选择的六自由度机械臂结构参数标定新方法。首先推导了相对于基坐标系的机械臂末端位置误差模型,然后采用一种基于任务优先级的机械臂轨迹规划方法,以轨迹点的期望位置与标定后实际运动位置间的最大误差优化到最小为目标,选择了最优测量结构组。最后搭建了运动学参数标定实验平台,分别利用选择的随机和最优测量结构组辨识参数误差,并对规划点进行了补偿。通过对比分析标定前后3个坐标轴方向的位置均方根误差、合成位置误差及合成均方根误差可知,采用最优测量结构组标定的结构参数更为有效地提高了机械臂的末端定位精度。     

一种采用球面编号靶点的串联机械臂测量方法

为了在较大范围内获取高精度的机械臂末端实际位姿数据进行机械臂运动学模型真实参数的辨识,提出一种基于球面编号靶点的串联机械臂测量方法,利用双目视觉实时跟踪与末端法兰刚性连接的标准靶球,设置在球体表面的标志点依靠特殊的排列分布进行区分编号,球心坐标和靶球方向分别由任意捕捉的至少4个点和已知的空间几何位置关系根据克莱姆法则计算求得,在工作空间内任意运动机械臂进行末端靶球位姿测量。建立位姿误差模型,采用最小二乘法辨识出准确的几何参数,实现机械臂的误差校准。试验结果表明,此法具有较高的精度,克服了传统视觉系统定位跟踪的视野狭小,降低了机械臂末端位姿测量的成本,简单可靠,同时有效的提高了机械臂的定位精度。     

一种基于 D-H 参数的 7 自由度机械臂 机构精度综合方法研究

提出了一种基于最佳精度模型的机械臂机构精度综合的方法,利用遗传算法对 D-H 参数公差优化分配,为机械臂的精 度设计提供理论依据。 以一种基于双电机伺服驱动关节的 7 自由度协作机械臂为研究对象,机械臂的几何定位精度的设计目 标为 1. 4 mm,建立该型机械臂末端执行器的几何定位误差模型;对参数误差进行敏感性分析,找出对机械臂末端执行器几何定 位误差影响相对较大的参数误差;根据最佳精度数学模型,利用遗传算法对 D-H 参数公差优化分配;经过对误差仿真计算分 析,机械臂的最大几何定位误差为 1. 226 7 mm,均值为 0. 485 9 mm,方差为 0. 216 5 mm,满足设计要求。 为该机械臂的制造装 配提供了理论参考依据。 与基于最小成本模型的精度综合法相比,提出的精度综合方法不需要统计加工制造成本信息,能够确 保机械臂的设计精度满足设计要求,可用于单个或者小批量生产制造机械臂的精度设计。     

Calibration-based thermal error model for articulated arm coordinate measuring machines

The influence of thermal changes in the accuracy of articulated arm coordinate measuring machines (AACMMs) is one of their main error sources. Usually, the effects of this problem are minimized by using low thermal-expansion materials in the arm design or by implementing an empirical error correction model based on the outputs of several temperature sensors placed inside the arm. These models, inherited from temperature correction models for robot arms, are based on the empirical arm positioning error characterization of several temperatures inside its measuring range and by posterior corrections implemented using an average error approximation. Considering this approximation as a correction valid for all the temperature range violates the AACMM calibration conditions, which are defined by a kinematic parameter identification procedure at 20 °C. This implies that, by applying these models, the AACMM will work outside of calibration conditions and will not meet the nominal accuracy values obtained from the identification procedure. In this work a new empirical correction model for thermal errors is presented. This model keeps the calibration conditions established in the parameters identification procedure unaltered. This fact makes it possible to apply other correction models for geometric and non-geometric errors obtained at the calibration temperature after having applied the temperature correction. The algorithm and objective functions used, which are based on a new approach including terms regarding measurement accuracy and repeatability and using the measurements of a ball-beam gauge artifact are shown. The empirical correction model and the arm accuracy and repeatability results before and after correction are also explained, showing an important accuracy improvement in the arm performance for typical arm operation at temperatures different from 20 °C.     

考虑基坐标系误差的机器人运动学标定方法

提出了一种基于机器人几何参数误差与基坐标系位姿误差的六轴串联型机器人误差标定方法.首先基于MD-H方法建立了IRB6700机器人几何参数误差模型,得到机器人连杆几何参数误差到机器人末端位姿误差的映射关系;然后进一步考虑了基坐标系的位姿误差,并建立了考虑基坐标系误差的机器人误差模型;此外,针对传统标定方法操作繁琐、偶然误...     

基于CPA方法的串联工业机器人运动学标定精度试验研究

几何参数误差是影响工业机器人定位精度的主要误差源,约占总误差的80%以上。基于圆点分析法(circle points analysis,CPA)所标定的几何参数与机器人的实际结构相关,并且能够将几何参数误差与其他误差源解耦。研究表明CPA方法的测量策略对其标定精度具有较大影响。针对基于CPA方法的串联工业机器人运动学标定技术的测量策略展开试验研究,分别对各轴测量角度范围、各轴测量步长、初始位姿构型、靶球安装位置等因素进行了分析,并得出一个优化的测量策略。实验结果表明该测量策略能够有效地提升CPA方法的标定精度,误差减少了43.99%,明显优于其他测量方案。通过与误差模型方法对比,经CPA方法标定的机器人具有更好的全局定位精度。     

Kinematic calibration analysis of 3SPS + 1PS bionic parallel test platform for hip joint simulator

As the key component of the parallel hip joint simulator, 3SPS + 1PS bionic parallel test platform owns four degrees of freedom including three rotations and one translation. When the moving platform stays at a given translation position, the parallel manipulator can represent three-dimensional rotating gait motions of the hip joint for the purpose of evaluating the friction characteristics of biological materials. Because of the manufacturing and assembling errors, the actual structure parameters of the parallel manipulator are not more accurate than the theoretical values and its reduced simulation accuracy will bring the uncertain evaluation. So in order to improve the precisions in the design, manufacture and assembly of the parallel manipulator, it is necessary to calibrate the kinematic parameters. Considering the structural characteristics of the parallel manipulator, its error model and the corresponding compensation method are established based on the complete differential-coefficient theory. According to the constant values of two orientation angles, the orientation residual matrix is constructed by adopting the incomplete measurement method and the forward kinematics functions, so its cost function can be defined. The iterative algorithm based on the least square method is applied to identify the structure parameters and obtain their optimal solutions, and then the actual kinematic calibration process is simulated by numerical method. The simulation results show that the comprehensive orientation error after calibration is greatly decreased, and the effectiveness of the calibration method is validated.     

空间机械手模型参数在轨标定方法研究

为了在轨辨识空间机械手真实模型参数,该文分析了模型参数误差来源,提出了基于遗传算法的空间机械手模型参数在轨标定方法,设计了关节变量误差和DH参数误差两组仿真数据对该方法进行验证。仿真结果表明,该方法切实可行,能够比较准确地识别出模型参数误差,有效地更新机械手运动学模型。与传统标定方法相比,基于智能优化算法的标定方法更具有广泛性。     

按照性能指标进行机构优化设计

提出了一个根据给定相关性能(如精度和工作空间),设计6自由度并联机构的可靠方法。该方法采用了区间分析理论及其算法,不仅可以分析末端执行件定位精度的测量误差,也能够得到设计参数的取值区间。只要并联机构的几何参数满足这些求得的设计参数区间,该并联机构必然达到相关的性能要求。利用本文的算法,应用于一个6自由度的并联机构设计。本文通过对该并联机构搜索空间的分析,比较了设计参数和阈值对计算结果和效率的影响。     

基于单拉线编码器测量系统的几何标定及精度分析

提出一种基于单拉线编码器测量系统的几何误差标定方法,通过在测量系统引入被测点位姿参数建立位姿求解模型,基于闭环矢量链建立测量系统误差辨识模型,采用最小二乘法对几何误差参数进行辨识。验证实例表明,标定后测量系统中几何参数最大绝对误差只有1×10^-8 μm,从而证明标定算法的有效性与高精度。进一步分析测量系统中动滑轮圆周度和转轴角度误差,拉线弹性变形,拉线编码器误差对测量系统精度的影响。分析结果表明,当拉线编码器的测量误差为0.0046 mm,动滑轮的转轴误差为0.1°时,最优标定点数目为35个,测量系统的测量误差最大为0.037 mm。     

A systematic approach to identify the error motion of anN-degree of freedom manipulator

A generalised calibration technique for identifying the joint geometric parameters of an N-degrees-of-freedom (d.o.f.) robot manipulator model is presented. The technique is analogous to the synthesising calibration method applied in the calibration of coordinate measuring, machines. It describes the state of each joint by six d.o.f. and assumes rigid-body motion. The initial step in the calibration involves locating the axis of motion of each joint; the axes are then used to extract the kinematic parameters, introduced by Denavit-Hartenberg (D-H). In order to derive the generalised manipulator kinematic equation, the robot model is modified to include the six error motion components associated with each axis. The paper also addresses the problem of identifying the error motion components of each joint, on the basis of a set of measurement of three noncollinear points at the robot end-effector at various joint configurations. Because the technique is based on axis-by-axis calibration, other non-geometric errors such as joint backlash and gear transmission error may also be revealed.     

一种平面3RRR并联机器人结构参数识别

分析一种3RRR并联机器人的结构误差，利用其约束条件建立误差模型，提出一种结构参数识别算法，避免了传统参数识别算法需要进行的位置正解，从而简化了结构参数的识别。通过测量次数的适当增加，利用最小二乘原理处理数据，减小了输入输出参数的测量误差对参数识别的影响