一种机器人球腕的模型优化方法

许多机器人的共同特点是在操作臂末端安装了球腕.球腕是机器人上一个重要的独立结构,它的静态误差必然影响操作臂末端执行器的位姿精度.以机器人末端的球腕作为独立的研究对象,在静态误差分析的基础上,提出了一个评价球腕精度的综合指标.根据这一指标建立优化模型,对存在静态误差的球腕模型进行优化,从而建立新的球腕运动学模型.应用新模型进行运动学及动力学解算,可以减小机器人球腕的位姿误差,特别是减小具有较大静态误差的机器人球腕的位姿误差.通过对机器人球腕进行的局部优化,整个机器人末端执行器的运动精度将在一定程度上有所提高.      

基于正交设计的3-RPS并联机构精度分析与综合

为了分析3-RPS并联机构在整个工作空间内各个位姿参数对位姿误差的影响程度,并且使该机构在整个工作空间内都满足精度要求,利用正交设计的思想对该机构进行了精度分析与精度综合.根据正交设计的思想,把该机构的3个位姿参数看成对位姿误差有影响的3个因素,用位姿误差的极差值作为敏感系数,通过极差分析得到了位姿参数对位姿误差的影响程度.以敏感系数的比值为依据合理划分各个因素的水平数,使排列的正交表为精度综合提供更加合理的位姿,对表中的各个位姿进行精度综合,得到了给定精度要求下的21项几何原始误差的公差值.结果表明:用正交设计的思想可以分析清楚位姿参数对位姿误差的影响程度,精度综合结果使机构在整个工作空间内满足精度要求,为物理样机的研制提供了参考.      

微动操作手的误差分析

目前微动操作手的机构选型主要有两种形式:串联机构与并联机构.它们各有优缺点.基于优势互补的指导思想,提出了一种新颖的机构形式,即串并联机构.为了评估微动操作手结构参数误差对末端执行器位姿的影响,利用矢量分析的方法建立了安装加工误差、驱动误差与末端位姿误差之间的关系式,得出了若干对微动机构的设计、加工、安装有普遍指导意义的结论.这种分析的方法同样也可应用到其它并联或串并联机构的误差分析研究中.     

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.      

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.     

基于视觉引导的工业机器人示教编程系统

针对目前工业机器人所采用的编程方式的局限性,提出了基于视觉引导的工业机器人示教编程方式。首先采用奇异值分解(SVD)法建立双目视觉系统与机器人的坐标映射关系,通过双目视觉系统识别和提取特定的示教工具末端位姿,以得到规划机器人运动所需的位姿数据。然后解析机器人控制器可执行文件的格式,将位姿数据转化为机器人可以执行的文件。最后通过试验验证了视觉引导示教方式的可行性,并对示教跟踪精度进行了分析,结果表明,跟踪误差最大为-1.18 mm,均方根误差为0.47 mm。      

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.      

管道喷涂机器人:结构与位姿调整

针对工业上大型管道内壁喷涂的需求,设计了用于喷涂管道的机器人,该机器人采用串并联结构形式,由支撑平台和串联机械手组成.支撑平台采用几何的方法建立数学模型,串联机械手采用D-H参数法建模;并在数学模型基础上给出了逆解方程.位姿调整时,对机器人进行初定位,利用激光跟踪仪测量出管道和机器人的位姿,求解出调整量,对机器人进行位姿调整,使喷枪旋转轴和管道轴线重合.管道喷涂机器人在工厂进行试验测试,测试结果表明该装备可以很好地实现管道的喷涂,提高喷涂质量和效率.      

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。      

空间2-RSSS机构的误差分析

对低速运动带间隙空间2-RSSS机构的误差展开研究,首先建立了带间隙的空间2-RSSS机构的误差模型,并基于二力杆假设把约束副间隙误差转化成为杆长误差,在保持精度的条件下简化了误差模型.其次推导了敏度矩阵的参数化表示,并建立了该机构的误差仿真模型,求解了敏度矩阵的参量,该敏度矩阵解法结合了符号推导的规律性明显和数值计算结果精确的优势.最后基于数值仿真验证了近似敏度矩阵求解的有效性,并对该机构的误差进行了分析,给出了在确定加工精度条件下约束副间隙影响指向误差的关键参数以及这些关键参数的优化设计准则.      

基于CCD和超声的物体位姿检测方法及精度分析

介绍了用单个CCD摄像机和超声传感器相结合检测物体位姿的方法.首先由CCD摄像机采集一幅图像,获取物体上目标点在图像坐标系中的理想坐标,并由此确定该点投影矢量(连接物体点和对应图像点的直线)的方向;然后控制机器人运动,使超声传感器的z轴与求得的投影矢量重合;最后用超声传感器测出投影矢量的长度,确定目标点在摄像机坐标系中的坐标.分析了影响检测精度的主要因素,具体研究了超声传感器的安装参数对检测精度的影响规律,进行了仿真分析.该方法可以有效地降低图像处理所带来的巨大数据量,避开双目视觉中的图像匹配问题,快捷、精确检测物体的位姿.     

基于遗传算法的插值Coons曲面孔位修正方法

在机器人自动制孔过程中，制孔点位信息通常从待制孔工件工艺数模上获取，而待制孔工件安装过程中会出现位置偏移和变形，由工艺数模得到的点位信息无法直接满足孔位精度要求。为了保证自动制孔的孔位精度，提出了一种基于遗传算法的插值Coons曲面孔位修正方法。利用制孔区域边角基准孔建立双线性Coons误差曲面模型，通过模型计算出待制孔的误差补偿向量，并补偿至理论制孔位置。针对误差曲面切矢模长无法确定的情况，利用制孔区域内的基准孔构建遗传算法模型，计算出切矢模长最优值，使拟合的误差曲面更符合实际制孔区域曲面。通过试验对算法的有效性和精度进行验证，结果表明:采用基于遗传算法的插值Coons曲面孔位修正方法，可以使孔位误差得到有效的补偿。补偿后的平均孔位误差仅为0.195 6 mm，与传统的插值曲面方法相比，孔位误差降低了5%~10%。      

基于VCM的自适应越障机器人优化设计

虚拟运动中心(VCM,Virtual Center of Motion)机构实质上是一种少自由度的功能机构,根据VCM机构的特点,将其应用到被动式自适应越障机器人的设计中,提高了机器人越障性能.通过分析VCM位置与前导轮轮心的位置关系,优化了前导机构的结构参数.利用VCM的特点简化了前导机构的静力学模型,通过量化的对比分析了悬挂在前导机构的弹簧在改善机器人整体力学性能中的作用,并优化了弹簧的安装位置.试验中优化后样机可以平稳的翻越约2.1倍轮子直径高的竖直台阶障碍,并且可以连续攀登单阶1.27倍轮子直径高楼梯和自适应各种复杂地面.     

基于神经网络的撞球机器人控制器设计

对撞球机器人的母球控制问题展开研究,设计了一种基于神经网络(NN)的控制器,使机器人能够控制母球在击打目标球后按照预定的模式运动至目标点——即完成走位。针对该问题非线性且非光滑的特点,对坐标系进行阐述并给出机器人击球的模型;在光滑的假设下使用理论分析的方法建立母球的运动学模型与边库反弹的理想镜像模型;进而使用神经网络方法对理想模型进行修正,并对不同的轨迹模式进行分析与分类。测试结果表明:经过训练的机器人能够掌握各种模式的走位,统计结果与模型分析结果相吻合;相比于单一使用神经网络方法,本文使用理论分析与神经网络相结合的方法能够有效地提升网络的品质,降低训练的误差。     

基于GPS相对伪距差分的相对导航方法研究

研究基于GPS相对伪距差分技术的RVD相对导航方法。分析了在相对位置零位处对相对伪距差分模型进行线性化后的模型误差,并推导了由模型误差所引起的相对导航参数确定误差;提出了模型误差修正方法和采用强跟踪滤波器的非线性滤波方法等两种改进方法。最后,通过数学仿真验证了两种改进方法的有效性。     

空间四面体翻滚机器人运动学分析及仿真实验

对四面体及多面体机器人的研究现状进行了分析.介绍了空间四面体翻滚机器人的结构,由6根伸缩臂和4个顶部节点平台组成,通过伸缩臂的运动可以使四面体的重心失稳,实现翻滚运动.结合四面体翻滚机器人的运动形式,给出了翻滚的临界条件,根据不同的运动阶段对四面体翻滚机器人进行了运动学分析.利用Adams虚拟样机技术对四面体翻滚机器人进行了运动学仿真,并进行了样机的实验,验证了方法的正确性.该分析结果可进一步用于空间四面体翻滚机器人的动力学分析和优化设计.     

基于增量式路标表观学习的移动机器人定位

在全景图像中,机器人参考定位的路标表观受到畸变、观察视角、路标尺度变化以及环境亮度的影响,致使基于全景视觉的机器人自主定位存在着许多难点有待解决.提出增量式的路标表观学习方法,准确估计路标的表观变化,并为基于粒子滤波的机器人定位过程提供准确的观测信息.增量式路标学习过程利用增量式概率主元分析为理论工具,将不同视角的路标表观的主元特征表示成不断自主更新的特征基底,为计算观测量与路标真实表观的相似度提供了实现途径和理论依据.该学习算法能够被集成到带有重采样的贯序权值采样粒子滤波算法过程中,实现了全景视觉机器人的精确自主定位.实验结果表明:该算法的定位误差小,计算量小,执行效率高,对全景图像中的各类干扰均不敏感.     

基于X射线脉冲星的航天器自主导航数值分析研究木

基于X射线脉冲星的天文自主导航方法稳定、可靠、精度高.是航天器自主导航领域重要的发展方向.论文介绍了基于X射线脉冲星导航的基本原理,给出了脉冲星自主定位的滤波模型;基于扩展卡尔曼滤波导航算法,以地球同步轨道为例,分析了不同初始误差、轨道倾角、轨道偏心率以及不同脉冲星方位误差下的导航精度.仿真算例表明,在脉冲星方位误差为0.001"、脉冲到达时间测量误差为0.1μs的情况下,导航定位精度优于1 km,且对初始误差不敏感;脉冲星方位精度、脉冲计时精度、轨道面位置和轨道偏心率是影响导航精度的主要因素.