基于四元数表示法的机器人基坐标系标定方法

在多机器人协同、运动学参数辨识和机器人离线编程等作业任务下,需要标定出机器人基坐标系在世界坐标系中的精确位姿.提出和实施了一种利用四元数表示法进行机器人基坐标系精确标定的方法.利用指数积公式,建立机器人的运动学模型.利用外部测量设备,测量出5个不共面的工具中心点,并记录对应的机器人关节位形.以基坐标系位姿对应的旋转矩阵元素为变量,建立不相容方程组,并求出基坐标系位姿的初步齐次矩阵.由于测量误差和截断误差,初步齐次矩阵的旋转矩阵部分不能满足单位正交阵的性质.利用四元数的几何约束条件,建立罚函数形式的目标方程,将初步齐次矩阵进行正交化修正.通过一系列的实际机器人的标定试验,验证了该标定方法的正确性,并提高了机器人末端的定位精度.      

机械臂运动学标定技术发展概况

机械臂运动学标定对提高机械臂的绝对定位精度具有重要意义，探究高效的机械臂标定方法已成为机器人领域研究的热点。现有标定方法可分类为基于模型的参数运动学标定、自标定和无参数运动学标定三类，对基于模型的参数运动学标定，从运动学建模、末端执行器测量、参数辨识和误差补偿四个方面详细介绍了其研究现状。对各种标定方法进行了比较，并分析了其优缺点。最后对机械臂运动学标定中存在的问题进行了分析，展望了标定技术的未来发展趋势。     

平面3自由度柔顺微动机器人加工误差分析

在微/纳米级定位领域,误差分析是提高微动机器人运动精度的重要方法.其中,对加工误差的分析尤其关键.为此,对平面3自由度(DOF,Degree of Freedom)柔性并联微动机器人的加工误差进行了研究.通过对机器人静刚度求解,建立了加工误差与其末端执行器定位精度的关系模型.通过理论计算途径及有限元方法(FEM)讨论了各结构参数加工误差对末端精度的影响程度,结果表明柔性铰链圆弧切口半径误差以及铰链圆弧切口中心线角度偏差对机器人末端精度的影响最大.研究所得结论可用于指导此类机构设计,确定加工过程中各机构参数的公差要求,并有助于提高标定精度.     

骑座相贯线焊接机器人运动学分析及仿真

针对复杂相贯线曲线机器人自动焊接的特殊要求,开发了骑座式相贯线焊接机器人,并通过对机器人结构进行合理简化建立了机器人的D-H连杆坐标系.根据D-H连杆坐标系,推导了机器人的运动学正解方程和逆解方程,并结合机器人关节变量的取值范围,确定了逆解的唯一性.然后通过Matlab仿真软件对机器人的运动学进行了仿真,结果表明所得的机器人正、逆运动学方程完全正确.仿真误差表明所得结果完全可以满足工程需要,为相贯线焊接机器人的轨迹控制和离线编程提供了依据和算法支持.      

基于标定及补偿提高串联机器人定位精度方法

在使用串联机器人进行定位操作前,首先需要对机器人基坐标系与测量坐标系进行位姿关系的标定,针对具有隐藏机器人基坐标系以及机器人法兰坐标系的串联机构,本文提出一种等价变换思想并结合应用激光跟踪仪测得机器人末端靶标点的坐标数据建立标定矩阵方程,应用罗德里格矩阵变换将标定方程转化为三元二次矩阵方程形式,采用最小二乘法和牛顿迭代法求出数值解进而完成机器人基坐标系与测量坐标系标定的方法。然后应用这种方法进行标定试验得到了20组标定结果,通过比较标定结果偏差进而验证了这种方法的正确性。最后,本文验证了应用这种标定方法的标定结果并结合一种新的位姿补偿算法后,能极大地提高机器人末端的定位精度。     

基于标定场的激光雷达两步标定方法

针对激光雷达大测量范围高精度测角测距问题,提出一种基于标定场的激光雷达两步标定方法.该方法在分析激光雷达测角误差和测距误差的基础上,提出激光雷达误差修正模型.该模型将距离修正从标定模型中分离,首先利用靶标场完成全视场的角度标定,并确定其外部参数,再利用基线场实现距离标定.以降低距离标定参数与角度标定参数之间的耦合性,保证激光雷达角度和距离标定的精度和准确度.实验结果表明方法合理有效,能够实现激光雷达的高精度标定.     

6PUS并联机构的运动学整机标定

首先建立了6PUS并联机构包括虎克铰铰链点、球铰铰链点、杆长以及导轨方向向量在内的54结构参数的误差雅可比矩阵。在MATLAB中使用最小二乘法建立了其标定模型,通过仿真验证了雅可比矩阵的正确性和最小二乘法参数辨识的有效性。其次采用正交试验选取位姿,用激光跟踪仪进行整机标定实验。根据标定结果,在MATLAB中采用建立的标定模型进行参数辨识,得到54结构参数。最后进行误差补偿,观察标定补偿效果。该整机标定可使单方向最大位置误差在0.030 mm,最大姿态误差在0.0007 rad;三方向最大位置误差在0.046 mm,最大姿态误差在0.0008 rad。由标定效果可知,整机标定可明显地提高运动学精度。      

无依托状态加速度计的新型标定方法

为解决加速度计性能参数时变性的问题,提出了无依托状态下加速度计标定方法.在无需借助转台等传统标定设备、无需拆卸惯性元件的条件下,充分利用惯导系统(INS,Inertial Navigation System)自身资源,以静基座初始对准获得的准确姿态信息为前提,利用当地重力g作为标定基准,考虑到误差模型非线性的特点,引入非线性寻优策略辨识零位偏差,将误差模型蜕变为线性后,运用线性最小二乘方法辨识安装误差矩阵和刻度因数误差,从而实现加速度计关键参数标定.数值仿真结果显示:经过标定后加速度计测量误差可减小20倍,说明在无依托状态下具有工程实用价值.      

机器人的空间位姿误差分析方法

采用了五参数模型作为机器人的运动学模型,根据相邻构件间的误差传递关系,应用位姿建模矩阵法建立了机器人的位姿误差模型,并编制了基于C++的位姿误差分析软件.利用所编制的误差分析软件,针对一6-DOF空间摄像机器人具体实例,计算分析了参数变化对机器人的末端位姿误差的影响规律,并绘制了该机器人的等误差曲线图.通过所建立的五参数误差模型和分析软件,可以直观地了解机器人机构的误差分布情况,便于合理地使用机器人或进行机器人机构误差的校正.研究结果为机器人的误差补偿提供了依据.     

一种含铰接动平台姿态类并联机器人的运动学标定

面向航空制造业大型零部件精确装配的重大需求，研究一种含铰接动平台姿态类并联机器人(4 PRS&H(R))的精度提升问题.首先，基于零件 部件 整机的装配思路，从零件加工设计与部件装配工艺来保证物理样件具有一定的基础精度，并借助区间理论，预估几何误差源对物理样机末端姿态精度的影响程度，其次，在精度预估的基础上，简化基于激光跟踪仪的误差参数辨识模型，然后结合物理样机实际装配精度和其结构的特殊性对测点进行规划，随后针对4 PRS&H(R)并联机器人开展运动学标定实验，激光跟踪仪检测结果表明，该机器人在运动学标定后沿α、β和γ三个转动方向的最大姿态偏差分别由0.195°、0.520°和2.089°降低至0.026°、0.044°和0.519°，且姿态偏差整体波动平稳，以此验证所述运动学标定方法的正确性和有效性.     

柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题，提出一种反作用最优控制方法，该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务，而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动，利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力，使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小，从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真，证实了方法的有效性。     

基于旋量理论及距离误差的机械臂标定新方法

为提高机械臂的定位及定姿精度,必须对其进行标定.标定能否达到预期目的,主要取决于所采用的运动学模型及消除参数识别过程中外来误差的影响.分析了基于不同运动学模型时机械臂的初始位姿误差对标定结果的影响.提出了一种结合旋量理论与距离模型的标定用数学模型.该模型考虑了机械臂初始位姿误差对标定的影响,解决了用D-H参数建模存在的弊端,同时能消除因机械臂坐标系统与测量设备坐标系统之间转换所带来的误差,克服了测量技术上的困难.仿真计算验证了这种新标定数学模型的可行性.      

一种柔性机器人的神经网络控制方法

提出了一种末杆为柔性杆的机器人的新型神经网络控制方法.它将末杆为柔性杆的机器人分解成刚性前端和柔性末端两部分,使用传统的机器人控制方法控制刚性前端,采用神经网络辩识柔性末端部分的逆模型,将末端的期望轨迹实时分解成末关节转角及末关节轴位姿的期望轨迹再分别进行控制.这一方法将传统的基于模型的控制方法和神经网络方法有机结合在一起.通过对平面3杆柔性机器人的数值仿真,初步验证了这一方法的有效性和良好效果.     

一种圆柱物料装填机器人残余振动抑制方法

为提高载具内的物料装填效率，提出了一种在载具内受限空间中使用的新型圆柱物料装填机器人，并通过优化关节轨迹，对机器人末端残余振动进行抑制。首先，给出物料装填机器人的总体设计方案和工作流程。然后，结合物料装填机器人的结构特点，应用拉格朗日方法建立封闭形式的刚柔耦合动力学模型，并应用模态分析方法得到机器人末端动态响应计算方法。最后，以物料装填机器人关节残余弹性势能最小为优化目标，使用最大最小蚂蚁系统，对机器人关节轨迹进行优化，并对优化结果进行仿真验证。仿真结果表明，优化后的关节轨迹，在满足快速装填要求的基础上，可以降低约34.4%的关节残余弹性势能和约37.6%的机器人末端振动振幅。      

被动冗余度空间机器人动力学控制

研究了被动冗余度空间站机器人的动力学控制问题，包括非完整系统的运动规划，渐进稳定的动力学控制规律；在动力学控制中，利用被动冗余度机器人“非完整自运动”的运动学优化方法完成机器人的动力学控制，构造的动力学闭环控制律保证机器人运动过程中末端跟踪期望的运动轨迹，通过三连杆空间站机器人模型进行了仿真，结果证明了得到的结论。     

一种基于指数积公式的空间机械臂自标定方法

为了克服发射过程和在轨极端温度环境对空间机械臂末端位姿精度的影响,提出了一种基于指数积（POE）公式的空间机械臂运动学在轨自标定方法。该方法使用空间机械臂末端双目空间相机和棋盘式标定板测量空间机械臂末端位姿实际值。根据关节旋量理论值和实际值之间的伴随变换关系建立了空间机械臂实际运动学模型,对运动学模型取微分建立了线性化的运动学误差模型,给出了基于最小二乘法的运动学标定模型。进行了7自由度空间机械臂运动学自标定仿真,仿真结果表明运动学标定过程能快速收敛到稳定值,标定后空间机械臂末端位姿精度有明显提高。      

空间机械臂系统总体技术指标确定方法

总体技术指标的确定是空间机械臂总体设计中的关键,基于此,文章提出了一种空间机械臂总体技术指标确定方法,并进行动力学仿真研究。首先从任务目标出发,结合总体约束条件,对空间机械臂的长度、末端位姿精度、末端最大运动速度、关节驱动力矩等技术指标进行论证;然后建立系统的多体动力学模型,对常规工况和极限工况下空间机械臂的带载操作过程进行动力学仿真,以验证所确定的总体技术指标。仿真结果表明,所提出的思路和方法对于空间机械臂的设计和研制具有一定参考作用。     

具有初始动量的空间机械臂零反作用轨迹跟踪

对具有初始动量的自由漂浮空间机械臂系统进行了研究,考虑其执行在轨任务时便已经具有的动量,根据系统的构型参数建立运动学模型,再采用拉格朗日第二类方程建立动力学模型。利用空间机械臂系统具有冗余自由度这一特性,推导运动学和动力学方程,得到了零反作用运动方程,消除了基座和机械臂之间的角速度耦合作用。末端运动轨迹用多项式插值函数来逼近,根据给定的机械臂末端初始和终止状态来规划其运动轨迹,并将机械臂末端的工作空间转换到关节空间中。根据已知的动力学模型,设计合适的比例-微分（PD）控制率。仿真结果表明,通过选择合适的增益反馈矩阵,机械臂末端能平稳地跟踪目标轨迹,同时,机械臂的运动不会对基座的姿态产生扰动,保证了基座姿态的稳定性及航天器的正常运行。     

多关节坐标测量机结构参数的校准

多关节坐标测量机末端测头的位置准确度主要受各杆件结构参数误差的影响,为提高多关节坐标测量机的测量准确度,必须对各杆件的结构参数进行校准。首先应用ＤＨ 分析方法,建立了多关节坐标测量机的运动学模型,然后提出了一种简单、快速的单点 多姿态校准方法,运用全微分、最小二乘法和迭代算法等数学方法,建立了校准模型。实验表明,该校准方法适合于多关节坐标测量机结构参数真值的获得,并可极大地提高测量机的位置准确度。