Step kinematic calibration of a 3-DOF planar parallel kinematic machine tool

This paper presents a novel step kinematic calibration method for a 3 degree-of-freedom (DOF) planar parallel kinematic machine tool, based on the minimal linear combinations (MLCs) of error parameters. The method using mapping of linear combinations of parameters in error transfer multi-parameters coupling system changes the modeling, identification and error compensation of geometric parameters in the general kinematic calibration into those of linear combinations of parameters. By using the four theorems of the MLCs, the sets of the MLCs that are respectively related to the relative precision and absolute precision are determined. All simple and feasible measurement methods in practice are given, and identification analysis of the set of the MLCs for each measurement is carried out. According to the identification analysis results, a step calibration including step measurement, step identification and step error compensation is determined by taking into account both measurement costs and observability. The experiment shows that the proposed method has the following merits: (1) the parameter errors that cannot influence precision are completely avoided; (2) it reflects the mapping of linear combinations of parameters more accurately and enhances the precision of identification; and (3) the method is robust, efficient and effective, so that the errors in position and orientation are kept at the same order of the measurement noise. Due to these merits, the present method is attractive for the 3-DOF planar parallel kinematic machine tool and can be also applied to other parallel kinematic machine tools with weakly nonlinear kinematics. Supported by the “863” High-Tech Program of China (Grant Nos. 2006AA04Z204 and 2006AA04Z227), National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50775118 and 50605041), the “973” Basic Research Project of China (Grant Nos. 2006CB705406 and 2007CB714000), and Tsinghua Basic Research Foundation (Grant No. JC200701)     

2UPR/UPS/UP并联机构的动力学建模与仿真

以一种具有空间三自由度的2UPR/UPS/UP冗余并联机构为研究对象,根据机构的约束条件建立各支链的闭环约束矢量方程,求得机构的位置反解并得到雅可比矩阵. 根据运动学分析,得到3个驱动支链的变化规律,方便实现对机构的位姿控制. 在此基础上,利用虚功原理对机构的动力学进行分析,建立该机构的动力学模型. 最后,在典型工况下对机构的运动学和动力学分别进行Matlab算例仿真与Adams样机仿真,通过对比仿真结果验证运动学和动力学模型的正确性. 该方法为并联机构的设计和控制奠定理论基础,同时适用于类似机构的研究与分析.     

新型3-TPS并联机器人平行机构的约束与运动学分析

目的为完善并联机器人理论．解决并联机床产业化关键技术．方法用螺旋理论方法分析平行机构的约束特性，并计算其自由度；用空间坐标转换理论推导出平行机构的雅可比矩阵；用仿真方法分析了机构的奇异性，获得工作空间的可操作度变化范围．结果新型3-TPS并联机器人的动平台只能作沿Y、Z两轴的平动和绕Y轴的转动。平行机构有3个自由度．结论由于平行机构对并联机器人的约束，使新型3-TPS并联机器人具有3个自由度，通过雅可比矩阵和机构奇异性的推导和计算，得到平行机构在工作空间中没有奇异形位和不定形位的结论．该方法可应用于类似并联机器人的结构设计与运动学分析中．     

三分支空间机器人的迭代运动学逆解

基于旋量理论指数积公式及空间雅可比矩阵,对三分支空间机器人逆运动学求解问题进行了研究,提出了一种通用的三分支机器人逆解迭代算法,并建立了统一的逆运动学求解模型。对于具有球腕结构的三分支机器人,给出了位姿解耦形式的简化算法。该算法较速度级控制法计算精度更高,且不依赖于机器人的构型,适合于构型不确定的模块化机器人。通过搬运物体的仿真试验,验证了算法的有效性。     

Kinematics of novel 6-HTRT parallel robot

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新型两转动自由度完全解耦并联机构及其特性

针对并联机构内部耦合性给其运动学和动力学分析以及控制系统的开发带来的问题,提出一种新型的两自由度转动解耦并联机构．运用约束螺旋法对机构的自由度和运动特性进行分析,通过修正的Kutzbach-Grübler公式计算出机构自由度数目;利用各构件间几何关系,求解机构位置正反解解析表达式;根据机构输入与输出参数间关系式,推导得到机构雅可比矩阵,进而依据雅可比矩阵表达式,验证了机构的解耦特性,并进而讨论了驱动输入的选择对机构奇异的影响．提出的解耦并联机构丰富了机构构型库,对进一步应用具有理论指导意义．     

无奇异3UPS+1RPU新型并联机构

为消除并联机构奇异性,研究一种约束支链法构成的新型并联机构.通过在3个UPS支链基础上添加1个RPU约束支链构成一种2转动2移动4自由度并联机构,采用矢量法和虚功原理对机构的运动学、静力学进行分析,得到机构的位置逆解、完整雅可比矩阵及静力映射矩阵;利用矩阵原理对雅可比矩阵进行分析,雅可比矩阵的秩反映了机构的奇异情况,推得约束支链对机构产生奇异性的影响结果.提出3UPS+1RPU并联机构消除机构奇异性的条件,进一步推广得到此条件同样适用于由约束支链法构成的其他非对称并联机构.结果表明,该研究方法为并联机构的奇异性消除提供了一种新途径.     

基于点球约束的七自由度机器人误差建模与参数辨识

自动化装配对于机器人绝对定位精度提出了更高的要求,由于各种误差因素的影响,机器人理论位姿和实际位姿总是存在着一定的误差,若绝对定位精度过低,容易导致装配过程中零部件之间发生碰撞,严重影响着装配机器人的应用与推广。标定技术是提高定位精度的主要手段,误差建模、数据测量、参数辨识是标定与误差补偿过程中的重要环节。为此,提出了一种基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法：1)通过在机器人末端安装的六维力传感器反馈末端受力情况控制机器人以多种姿态使标定锥与靶标球球面重合,记录接触时各关节的位置数据;2)以靶标球球体半径为适应度函数,利用遗传算法辨识误差参数,从而建立完整的误差补偿模型。以自主研制的七自由度装配机器人为研究对象,针对装配机器人的结构特点,由正向递推建立机器人的正运动学方程,应用固定关节法与反变换法获得机器人逆运动学方程;基于D-H模型,建立机器人的运动学误差模型,在理论研究中,预设定误差参数与位姿变换矩阵,通过牛顿迭代法获取了关节变量值,将关节变量值代入正运动学方程进行验证,利用遗传算法进辨识误差参数,将辨识结果代入运动学模型中进行验证,机器人定位精度得到明显提高。通过实验,采用点球式标定方法采集机器人关节数据,应用遗传算法辨识误差参数,将所求得的误差参数代入误差模型中进行实验,绝对定位精度提升了76.74%,验证了基于点球约束的机器人误差建模与参数识别方法的有效性,为多自由度机器人标定研究提供有益参考。     

空间3-UPU/UPU机构的刚度分析

以3-UPU/UPU并联机构为例,进行机构分析及运动学分析,得到机构的雅克比矩阵;在静平衡条件下计算出并联机构的局部刚度矩阵和全局刚度矩阵;利用数学软件MATLAB绘制3-UPU/UPU并联机构的局部刚度曲线以及全局刚度曲线,分析上下平面外接圆半径的变化对局部刚度和全局刚度的影响.结果表明局部刚度矩阵以及全局刚度取决于机构的位姿,对于给定的位姿可求机构局部刚度及全局刚度的变化范围;机构的上下表面半径的变化情况影响着局部刚度和全局刚度,因此可以适当地增大上下表面半径来获得较高的局部刚度以及全局刚度。     

3-RPS并联机床的标定建模及振动分析

并联机床在标定时所建立的位置参考系与运动参考系不一致产生系统误差,从而影响机床的结构性能。通过改进标定建模方式,将两个参考系统一,并用数值模拟该并联机床的标定过程,对比结果发现,改进后的模型可以完全消除测量时的系统误差对并联机床标定精度的影响。把标定过的模型导入ADAMS进行振动仿真分析,通过对比可以发现标定过模型的各项振动指标明显优于未标定的模型,从而进一步提高并联机床的结构性能。直接提高机械加工精度及安装精度能够提高并联机床的结构参数的精度,但其代价将是极大地增加加工成本,采用运动学标定并联机床的运动学建模的方法则只需要按普通精度要求进行机械加工,这种标定建模方式具有很高的实用价值。     

3-TPT并联机构运动性能研究

以3-TPT并联机构作为研究对象,建立该机构的运动学正、反解方程,求出该机构的雅可比矩阵及其逆矩阵,并在此基础上运用MATLAB软件和LabVIEW软件对该机床的奇异性、灵,5性和平稳性性进行仿真分析。仿真结果表明：3-TPT并联机构不存在奇异位形,并且拥有较好的灵巧性和平稳性,这为并联机构的最优化设计及控制系统设计提供了理论基础,并为确定工作形位和机构尺寸提供了设计依据。     

HIT/DLR多指手抓取操作研究

研究了HIT／DLR多指手在抓取操作过程中,其手指关节与被抓物体间的位姿对应关系,并基于多指平面抓取建立了HIT／DLR多指手完整的运动学方程．该算法通过自上而下的层次化结构算法简化了多指运动学的求解过程,避免了传统算法中抓取矩阵和手雅克比矩阵的高维矩阵计算．HIT／DLR多指手的抓取实验表明,该运动学算法能够满足抓取操作中的位置控制要求．     

由支链构造并联机器人雅可比矩阵

为获得并联机器人雅可比矩阵,以移动平台上两点速度关系为基础,推导出一种由各支链机构雅可比矩阵构造并联机器人机构雅可比矩阵的表达式.该方法可用于并联机器人机构或混联机构雅可比矩阵的自动运算,乘法运算次数比排除了柔性杆件的Monsarrat和Gosselin推出的并联机器人机构雅可比矩阵形式少.通过平面5R并联机器人机构算例验证了该方法的正确性.     

Study on singularity analysis with differential transform method for 3-RRUR parallel robot based on Jacobian matrix

Parallel robot is used in many different fields nowadays,but the singularity of 3-RRUR parallel robot is more complicated,so a method to analyze the singularity of the 3-RRUR parallel robot is very necessary.First,the Jacobian matrix was built based on the differential transform method through the transfer matrixes between the poles.The connection between the position parameters and singularity condition was built through the analysis of the Jacobian matrix.Second,the effect on the singularity from the position parameters was analyzed,and then the singularity condition was confirmed.The effect on the singularity condition from position parameters was displayed by the curved surface charts to provide a basic method for the designing of the parallel robot.With this method,the singularity condition could be got when the length of each link is firmed,so it can be judged that if a group of parameters are appropriate or not,and the method also provides warrant for workspace and path planning of the parallel robot.     

四自由度并联微操作机器人的运动学分析

分析了2RPS+2TPS型四自由度并联微操作机器人机构的运动学特性;采用微分法推导了微位移增量矩阵的一般表达式以及输入、输出位移的雅可比矩阵;建立了微操作机器人的运动学方程、速度方程、加速度方程的显式正逆表达式,为微操作机器人的动力学与控制研究奠定了理论基础。     

空间3-UPU／UPU机构的刚度分析

以3-UPU／UPU并联机构为例,进行机构分析及运动学分析,得到机构的雅克比矩阵;在静平衡条件下计算出并联机构的局部刚度矩阵和全局刚度矩阵;利用数学软件MATLAB绘制3-UPU／UPU并联机构的局部刚度曲线以及全局刚度曲线,分析上下平面外接圆半径的变化对局部刚度和全局刚度的影响．结果表明局部刚度矩阵以及全局刚度取决于机构的位姿,对于给定的位姿可求机构局部刚度及全局刚度的变化范围;机构的上下表面半径的变化情况影响着局部刚度和全局刚度,因此可以适当地增大上下表面半径来获得较高的局部刚度以及全局刚度。     

新型6-PRRS并联机器人运动学和动力学研究

利用旋量理论和指数积方法求解了6-PRRS并联机构主动关节与被动关节的位置逆解。根据该并联机构的输入输出映射关系,推导出一种基于速度投影的雅可比矩阵求解方法。提出一种解决新型6-PRRS并联机器人逆动力学问题的系统方法,采用Lagrange法建立并联机器人的刚体动力学关系,应用虚功原理最终获得动力学模型。解决了6-PRSS并联机器人一系列运动学和动力学问题,这些方法具有一定的通用性,适用于类似并联机构的分析与研究。     

2TIR型少自由度并联机器人新构型及其运动

目的通过运动学分析,完善并联机器人理论,优选设计2TIR型新型并联机器人机构,解决并联机器人产业化关键技术．方法用添加约束法实现二维平动和一维转动的并联机器人构型设计。并对新构型进行约束分析和自由度计算;对新型3自由度并联机器人作位置分析和速度分析。用空间坐标转换理论推导出机构的雅可比矩阵;通过仿真方法描绘出机构的运动曲线、结果通过计算分析,用添加约束法作出的3种新构型3-TPS／RPP、3-TPS／CP和3-TPs／RUp。证明都具有3个自由度,能实现二维平动和一维转动．建立了新构型机构的位置正、反解计算方程．计算雅可比矩阵,求出速度反解．结论该类并联机器人的速度较平稳,可控性良好、3种2TIR型少自由度并联机器人新构型能实现预定的运动,具有良好的运动性能,可以进一步开发和应用．     

某姿态测量系统标定用转台指向误差补偿

为了提高某姿态测量系统的标定精度,研究了其标定设备三轴转台的指向误差补偿方法。分析了影响指向误差的因素;基于多体系统运动学基本原理,阐述了转台系统拓扑结构的低序体阵列;推导了相邻两体间的低序算子;进而建立了关于转台三个回转轴线平均线夹角的指向误差模型;通过仿真结果研究了各误差项对指向误差的影响规律;最后介绍了误差模型参数的测量方法。误差补偿实验验证了方法的有效性和可行性。     

基于逆运动学的6-UPS并联机构运动学参数辨识方法

为了提高6-UPS并联机构的定位精度,研究了一种基于逆运动学的6-UPS并联机构运动学参数辨识方法.首先基于逆运动学建立了6-UPS并联机构的运动学参数辨识模型,然后通过Levenberg-Marquardt最小二乘法对模型进行求解,最后对该算法进行了仿真验证.结果表明该算法可以很快收敛,在测量设备没有测量误差的理想状态下,参数辨识精度达到10-10mm.在测量设备存在1μm、1″的误差状态下,参数辨识精度达到10-3mm,足以满足大部分应用场合下6-UPS的位姿精度要求.