Enhancing pose accuracy of space robot by improved differential evolution

Due to the intense vibration during launching and rigorous orbital temperature environment, the kinematic parameters of space robot may be largely deviated from their nominal parameters. The disparity will cause the real pose (including position and orientation) of the end effector not to match the desired one, and further hinder the space robot from performing the scheduled mission. To improve pose accuracy of space robot, a new self-calibration method using the distance measurement provided by a laser-ranger fixed on the end-effector is proposed. A distance-measurement model of the space robot is built according to the distance from the starting point of the laser beam to the intersection point at the declining plane. Based on the model, the cost function about the pose error is derived. The kinematic calibration is transferred to a non-linear system optimization problem, which is solved by the improved differential evolution (DE) algorithm. A six-degree of freedom (6-DOF) robot is used as a practical simulation example, and the simulation results show: 1) A significant improvement of pose accuracy of space robot can be obtained by distance measurement only; 2) Search efficiency is increased by improved DE; 3) More calibration configurations may make calibration results better.     

基于粒子优化算法的并联机器人误差建模分析

以6?PTRT并联机器人为研究对象,建立其位姿误差模型,利用单支链闭环矢量法,依据输入输出关系,建立误差方程。依据6?PTRT并联机器人的位姿误差模型,将机构误差转化为驱动杆误差,利用MATLAB软件分析各个驱动杆杆长误差参数对其输出位姿误差的影响;建立并联机器人位姿误差修正的目标函数,利用基于带收缩因子的自适应权重粒子群算法寻优各个驱动杆误差参数,修正末端位姿、提高运动学精度,为6?PTRT并联机器人动力学、位姿标定以及轨迹规划和控制等问题提供理论依据。     

机器人位姿误差校正方法

在建立机器人误差模型的基础上，利用机器人齐次座标变换中的重要特点，提出了一种简便实用的位姿误差校正方法，该方法与机器人精度测试相结合可提高机器人位姿精度，并以PUMA560机器人为例说明了该方法。     

New self-calibration approach to space robots based on hand-eye vision

To overcome the influence of on-orbit extreme temperature environment on the tool pose(position and orientation) accuracy of a space robot,a new self-calibration method based on a measurement camera(hand-eye vision) attached to its end-effector was presented.Using the relative pose errors between the two adjacent calibration positions of the space robot,the cost function of the calibration was built,which was different from the conventional calibration method.The particle swarm optimization algorithm(PSO) w...     

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。     

改进粒子群算法的工业机器人几何参数标定

针对传统粒子群(PSO)算法在解决工业机器人几何误差标定问题中存在的收敛速度慢的缺点,提出了一种基于两段式的动态粒子群算法(LDPSO-BT)。用Denavit-Hartenberg方法建立工业机器人的误差模型,将几何误差标定问题转换成对高维非线性方程的求解;对粒子群数目进行线性递减,同时针对算法求解过程中粒子数目线性递减的特点,在改进粒子群算法迭代后期采用改进的搜索模式,对传统粒子群的速度迭代公式进行改进;仿真实验对比了工业机器人几何误差标定前与标定后两种算法的末端定位精度。实验结果表明:在采用粒子群算法辨识工业机器人实际几何参数的过程中,粒子群数目对算法的迭代时间有重要影响,通过线性递减的方式减少粒子群的粒子数目可以有效地减少工业机器人几何误差标定时间,同时在粒子群算法迭代后期采用改进的速度迭代公式可以确保收敛精度。与传统粒子群算法相比,使用改进后的粒子群算法,不仅可以有效减少工业机器人的定位误差,而且还拥有更高效的迭代效率。     

Optimal measurement configurations for kinematic calibration of six-DOF serial robot

An optimal measurement pose number searching method was designed to improve the pose selection method. Several optimal robot measurement configurations were added to an initial pre-selected optimal configuration set to establish a new configuration set for robot calibration one by one. The root mean squares (RMS) of the errors of each end-effector poses after being calibrated by these configuration sets were calculated. The optimal number of the configuration set corresponding to the least RMS of pose error was then obtained. Calibration based on those poses selected by this algorithm can get higher end-effector accuracy, meanwhile consumes less time. An optimal pose set including optimal 25 measurement configurations is found during the simulation. Tracking errors after calibration by using these poses are 1.54, 1.61 and 0.86 mm, and better than those before calibration which are 7.79, 7.62 and 8.29 mm, even better than those calibrated by the random method which are 2.22, 2.35 and 1.69 mm in directions X, Y and Z, respectively.     

解决约束平面偏移问题的机械臂闭环标定

基于平面约束的工业机械臂闭环标定,拟合平面与实际约束平面之间存在一定偏差,直接影响标定精度.针对此问题提出消除偏差的方法及误差模型.建立平面坐标系,得到约束平面的准确方程,通过接触式测量头对约束平面进行测量,在平面坐标系中描述测量点的位置;建立最小完整连续运动学模型,从而减少冗余参数的影响;利用双目视觉定位约束平面并规划理论测量点位置,实现自动化测量;通过改进的最小二乘法对参数误差进行辨识.实验结果表明,修正运动学参数后,机械臂绝对位置精度由1.234 mm提高到0.405 mm.该方法成本低、精度高、效率高,且简化了误差模型,适用于工业机械臂的现场标定,为机械臂生产厂家实现批量化标定及后期设备维护提供了思路.     

Geometric Calibration and Image Quality Assessment of High Resolution Dual-Camera Satellite

The evaluation of geometric calibration accuracy of high resolution satellite images has been increasingly recognized in recent years. In order to evaluate geometric accuracy for dual-camera satellite images based on the ground control points(GCP), a rigorous geometric imaging model,which was based on the collinear equation of the probe directional angle and the optimized tri-axial attitude determination(TRIAD) algorithm, is presented. Two reliable test fields in Tianjin and Jinan(China) were utilized for geometric accuracy validation of Pakistan Remote Sensing Satellite-1. The experimental results demonstrate a certain deviation of the on-orbit calibration result from the initial design values of the calibration parameters. Therefore, on-orbit geometric calibration is necessary for optical satellite imagery. Within this research, the geometrical performances including positioning accuracy without/with GCP and band registration of the dual-camera satellite were analyzed in detail, and the results of geometric image quality are assessed and discussed. As a result, it is feasible and necessary to establish such a geometric calibration model to evaluate the geometric quality of dual-camera satellite.     

机器人运动学参数递推标定方法

为了获得准确的机器人运动学参数,提出了一种机器人运动学参数递推标定方法. 基于机器人运动学模型,建立了相邻连杆局部坐标系误差模型,进而提出了从末端连杆坐标系至基坐标系进行运动学参数递推标定的方法. 以八自由度机器人为研究对象,在利用激光跟踪仪建立连杆坐标系的基础上,通过实验验证了运动学参数递推标定方法的有效性和实用性.     

工业机器人校正技术及软件设计

机器人末端执行器准确到达预先指定位姿的能力是其重要的技术指标之一,而机器人位姿误差校正补偿技术正是提高机器人位姿精度的有效方法.本文采用机器人位姿误差局部校正方法,建立了机器人工作空间位姿转换矩阵及误差模型.以AdeptOne机器人为对象,利用光电检测手段,自行设计研     

机器人基坐标系精确标定的对偶四元数法

针对离线编程系统中机器人在世界坐标系下的位姿描述问题,提出一种利用对偶四元数精确标定机器人基坐标系的方法.首先在利用指数积公式建立机器人正运动学模型的基础上,推导了基于单位对偶四元数表示法的机器人基坐标系标定模型,该模型将世界坐标系与机器人基坐标系之间坐标转换的旋转与平移过程进行统一描述;其次,以对偶四元数的几何性质为约束条件,建立最小方差目标方程,引入拉格朗日乘子法求解最优的位姿变换矩阵;最后,对6自由度串联机器人进行了标定实验.实验结果表明,该标定方法可以有效解决工业应用环境中机器人的基坐标系标定问题,同时也为机器人手眼标定、多机器人协作基坐标系标定问题提供了参考依据.     

焊接机器人工具坐标系标定的研究与实现

采用六点标定法对工具坐标系进行标定. 首先标定工具参数的位置向量,其次标定工具坐标系的姿态矩阵,其中工具中心点位置标定采用线性最小二乘法的矩阵形式进行求解,工具坐标系姿态采用向量和矩阵的基本运算进行求解. 针对RB 1400六自由度焊接机器人,基于开放式软件平台CODESYS开发了工具坐标系标定算法模块和焊枪位姿变换模块,最后以此为基础移动机器人对准基准点,测试分别绕x、y、z轴旋转检查TCP点的位置是否符合要求. 结果表明:该方法确实可行,并且可以适用于其他类型机器人的工具坐标系标定.     

工业机器人自动钻孔及锪窝一体化加工

为了提高工业机器人制孔的位姿精度,控制锪窝深度误差,利用激光跟踪仪跟踪机器人位姿,获得位姿偏差,并对机器人位姿偏差进行补偿,提高机器人制孔的位姿精度;利用光栅尺构成闭环控制系统,将制孔过程中机器人与工件变形引起的误差补偿到制孔刀具的进刀位置,从而保证埋头螺栓孔的锪窝深度.采用该跟踪、补偿系统在平面试验件和曲面试验件上进行了工业机器人制孔位置精度和锪窝深度补偿加工试验.结果表明,机器人的位置精度和角度精度达到0.05 mm和0.05°,锪窝深度误差控制在0.03 mm以内.     

Optimal measurement configurations for kinematic calibration of six-DOF serial robot

An optimal measurement pose number searching method was designed to improve the pose selection method.Several optimal robot measurement configurations were added to an initial pre-selected optimal configuration set to establish a new configuration set for robot calibration one by one.The root mean squares (RMS) of the errors of each end-effector poses after being calibrated by these configuration sets were calculated.The optimal number of the configuration set corresponding to the least RMS of pose error wa...     

考虑一阶径向畸变的摄像机参数标定

针对GRB-400机器人视觉系统,建立完整的摄像机一阶径向畸变模型。首先用GRB系统的Matrox图像采集卡采集标定点坐标,然后利用径向排列约束方法 （简称RAC）建立线性方程组求解摄像机的径向畸变参数。基于此畸变参数实现图像校正,以提高对目标物体的定位精度,从而提高机器人视觉系统对摄像机标定参数变化的鲁棒性。实验结果表明：该方法有较高的标定精度。     

GRB-400机器人摄像机内外参数的分离标定

以GRB-400四自由度工业机器人为研究对象,利用一种介于传统标定方法和自标定方法之间的内外参数分离的标定方法,对机器人的CCD摄像机进行了标定,获得了较精确的摄像机内、外参数。该方法的特点是比传统标定方法简单快速,同时克服了自标定方法精度不高的缺点。     

基于卡尔曼滤波的髓内钉锁孔操作标定方法研究

在机器人辅助正骨手术中,髓内钉的锁孔操作需要很高的定位精确度,因此需要一种相应的高精确度系统标定方法来满足定位要求.本文利用卡尔曼滤波的间接法标定法,其跳过对定位盒顶点坐标的求取,将标定盒三个顶点的坐标作为状态参量,将机器人由拍照位姿到钻孔位姿之间的位姿变换参数当作观测参量.并在此基础上推导出状态参量与观测参量之间的映射关系,对一系列观测参量的测量,利用卡尔曼滤波算法对状态参量进行滤波估计,最后间接求取转换矩阵.实验证明,这种方法的精确度不会因为标定试验次数增多而导致标定盒磨损,重复精确度较高.     

Kinematic calibration of a class of parallel kinematic machines (PKM) with fewer than six degrees of freedom

The accuracy of parallel kinematic machines (PKM), particularly machine tools is an important performance index. It has been acknowledged that kinematic calibration is a practical and economical way for enhancing the accuracy of PKM systems. The procedure usually involves four steps, i.e. error modeling, measurement, identification and implementation[1,2]. So far, most work on the kinematic calibration of PKM systems has focused upon the objects with six degrees of freedom (DOF)[3—13]. A…     

深度相机与惯性测量单元的相对姿态标定

为解决深度相机和惯性测量单元之间相对姿态难以直接测量的问题,提出一种通过捕捉同一手部运动来构造位移向量继而利用最小二乘法求取两传感器相对姿态的非接触式标定方法.首先描述和分析一类相对位姿时变的深度相机和惯性测量单元的相对姿态标定问题,然后使用深度相机与惯性测量单元同时捕获手部向空间任意方向摆动的运动信息,构造相应的位移向量,进而基于刚体旋转不变性原理建立求解模型,最后使用最小二乘法求取最佳相对姿态,即标定结果.为验证标定方法的准确性和有效性,一方面组织标定解算结果和白噪声仿真数据比对从而得出偏差估计的实验,结果表明标定后相对姿态偏差少于±4°;另一方面使用深度相机和惯性测量单元组成的传感系统对人手臂运动进行捕捉实验,结果表明标定后测得数据方可正确反映人手臂参数.本文所提出的标定方法原理简单、操作方便、无需接触测量或其它辅助标定设备,适用于机器人远程操纵和体感游戏设备等场景相应传感器标定中.