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。     

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。      

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.      

一种基于控制参数化的双连杆机械臂最优PID参数整定方法

考虑一类双连杆机械臂的PID控制问题,提出一种基于控制参数化的最优PID参数整定方法.首先,把系统的性能指标建模为最优控制中的连续状态不等式约束.其次,将双连杆机械臂的最优PID参数整定问题转化为含连续状态不等式约束的最优参数选择问题.然后,应用约束转录法结合局部平滑法来处理连续状态不等式约束.得到一个标准的最优参数选择问题,且这个标准问题可以用最优控制软件MISER 3.2来求解.由于是基于梯度的方法来求解问题,所以在文中推导了代价函数和经过处理后约束的梯度公式.最后,通过数值仿真验证了提出的方法的有效性.     

七自由度机械臂逆运动学求解方法

针对SRS (spherical-roll-spherical-joint)结构的机械臂,提出了一种基于臂型角规划的逆运动学求解方法.根据目标位置设置臂型角,将臂型角作为冗余参数,利用机械臂的几何特征求出逆运动学解析解.同时,针对机械臂运动过程中可能产生的臂型角奇异位形工况,引入肘部位置约束获得运动学逆解.通过UG-Simulink联合仿真及物理试验,验证了方法的有效性.当机械臂位于肩关节奇异位形,可避免采用关节角参数化求解时产生无数组解的结果.在重力卸载环境下的抓捕和释放物理试验中,有效解决了空间运动受限时的空间奇异解问题.     

一种基于立体标定件的双摄像机外参数标定法

对于应用于现场测量的立体视觉测量系统,两摄像机间的外参数标定是保证系统测量准确度的重要环节之一。介绍了一种利用立体标定件实现系统外参数标定的方法,其特点是只要两摄像机同时拍摄一幅标定件图像,利用标定件上的球形特征点与其成像点之间的共线性约束建立共线性标定方程组,通过Levenberg-Mar-quardt迭代优化算法分别确定两摄像机与世界坐标系的关系,最后利用世界坐标系作为中介,将两摄像机间的外参数求出。同传统标定方法相比,该方法简单、快捷,鲁棒性好,可用于现场标定。     

一种基于控制参数化方法的柔性关节机械臂的#br# 最优PID参数整定方法#br#

数化方法的柔性关节机械臂的最优PID参数整定方法吴昊1,2,郭小龙3,谭元3,毛新涛4摘要： 提出了一种基于控制参数化方法的柔性关节机械臂的最优PID参数整定方法.首先,将柔性机械臂的性能指标建模为连续状态不等式约束.然后,将柔性关节机械臂的最优PID参数整定问题转化为含连续状态不等式约束的最优参数选择问题.应用约束转录法结合局部平滑法来处理连续状态不等式约束,从而将含连续状态不等式约束的最优参数选择问题转化为一个标准的可以优化软件包求解的非线性规划问题.最后,通过数值仿真验证了本文提出的方法的有效性.     

基于改进粒子群的绳驱连续型机械臂逆运动学分析

绳驱连续型机械臂具有良好的柔性和灵活性,能够在狭小的空间内运动,但相对于离散型机械臂,利用D-H参数构建运动学模型的方法不再适用,且连续型机械臂具有无穷自由度,逆运动学求解困难。针对一种两节的绳驱连续型机械臂的运动学问题,基于分段常曲率假设,建立了运动学模型,并分析了两节之间的运动学耦合关系。在此基础上,利用改进粒子群优化算法求解连续型机械臂逆运动学,通过仿真验证了该逆解算法的可行性和有效性,搭建了绳驱连续型机械臂的物理样机系统,并验证了基于分段常曲率假设的正运动学模型的正确性。     

一种新的四路激光跟踪坐标测量系统的基点标定方法

在激光跟踪三维坐标测量系统中,系统首先要经过标定,才可以进行实际测量。因此系统标定的准确度会直接影响系统最终测量准确度。为了提高标定准确度,提出一种新的标定方法,即利用直线法原理,在优化布局下,采用两路激光干涉仪测量出基点的三维坐标。仿真结果表明目标点相对于基点呈对称分布时,测得的基点坐标准确度比非对称分布时高6到7倍,并通过实验得出了在该优化布局下的基点坐标。     

基于距离测量的机器人误差标定及参数选定

为消除机器人运动学标定中的模型奇异问题,研究距离平方差模型的可辨识参数.采用修正DH（Denavit-Hartenberg）模型描述机器人连杆结构,六参数描述末端关节到工具坐标系的变换,推导了连杆参数误差到机器人末端距离平方差的线性模型,从冗余关系式和物理解释角度讨论冗余参数,确定可辨识参数,使用迭代的最小二乘法辨识参数完整且非奇异的模型.结合某6旋转关节机器人,以激光跟踪仪为测量仪器进行标定实验,在设计末端执行器时目标测量点偏离末端关节轴线以保证倒数第二关节参数的辨识.结果显示,距离平方差模型避免了测量坐标系到基坐标系的转换,检验点的距离误差均方根降低93.1%,完整性和非奇异性提高了参数辨识的有效性.      

一种三维激光扫描系统的设计及参数标定

基于三维激光扫描系统的移动机器人动态环境地图构建技术是机器人智能感知技术的重要组成部分,而三维激光扫描系统的设计及标定技术对于地图构建的精度有决定性的影响。针对应用于小型移动机器人的三维激光扫描系统低成本、小型化的需求,设计了一套由高精度旋转云台和小型二维激光测距传感器组成的三维激光扫描系统,并提出了一种新的系统参数标定方法以提高三维扫描测量的准确度。该方法使用镂空圆孔标定板作为标定对象以完成对三维扫描特征自动准确获取,并根据非线性最小二乘法对三维激光扫描系统的参数进行优化计算。实验结果表明,所设计的三维激光扫描系统能够准确地测量周围环境的三维信息,实现了以低成本获得高质量环境建模的三维扫描数据技术。      

用于辐射计定标源发射率测量的标定方法

针对用于风云系列卫星有效载荷微波辐射计的地面定标的定标源的双站测量系统进行建模,引入与待测的有限大周期方锥阵列定标源结构一致的锥形阵列金属标定体(标定锥),取代常规的标定金属平板(标定板).通过基于三维时域有限差分(FDTD,Finite-Difference Time-Domain)算法和等效时谐场外推理论的仿真,结果显示标定锥具有与定标源相似的散射分布特性,并通过基于天线近场耦合理论的分析,标定锥与定标源具有相近的天线耦合功率密度分布,因此,用标定锥作为标定体可有效地消减由天线口面带来的近场天线耦合的误差.对于文中给定的定标源模型,在不考虑收发天线直接耦合的条件下,采用标定锥取代标定板进行标定可以将定标源发射率的测量精度提高一个数量级.      

基于绝对磁场测量的磁通门磁强计在轨标定方法

卫星在轨进行磁场测绘及监测时,需要高精度的磁场值,但由于磁通门磁强计三轴非正交性以及零点漂移所引起的误差大大降低了磁强计的测量精度,因而有必要对此进行校正.本文利用绝对标量磁强计,采用一种改进的最小二乘标定算法,通过不断迭代实现对磁通门三轴正交性和零点漂移的修正.结果表明,在考虑了磁强计本身噪声水平的实际情况下,磁通门磁强计的误差可由100nT左右修正到0.2nT以内.该算法为卫星在轨高精度磁场测量提供了一种可行的方法.     

多视场星敏感器结构参数标定方法

提出一种基于星间角距不变原理的多视场(FOV)星敏感器结构参数标定方法.这种方法以欧拉角表征多视场星敏感器各个子视场之间的旋转关系,利用识别得到的各个视场星点的坐标信息和赤经赤纬信息,计算出多对星光矢量来建立标定模型和目标函数,然后使用L-M算法优化目标函数并解算出各个子视场之间的结构参数.此方法不需要外部姿态测量仪器辅助,可用于在轨和地面标定.在全天球随机抽取多个姿态生成多视场的仿真星图用于标定,并采用星内角统计偏差作为结构参数标定精度的评价指标.这种方法能够准确求解多视场星敏感器的结构参数.星内角统计偏差的平均值在星点位置噪声标准差为0.1像素的仿真试验中为1.3",在外场观星的实际试验中为6.4".      

激光测距传感器光束矢向和零点位置标定方法

激光测距传感器常用于飞机壁板法向检测。为了解决激光测距传感器加工和安装误差导致的法向检测精度下降问题,提出和实施了一种利用几何数学模型和最小二乘法进行激光测距传感器光束矢向和零点位置标定的方法。首先,利用角度标定理论获取激光束与主轴进给方向的夹角。然后,借助激光跟踪仪建立坐标系,根据激光测距传感器射在与电主轴进给方向成不同夹角的平面上的测量值,利用几何数学模型计算出各激光点之间的相对坐标,运用最小二乘法拟合出激光束的空间方程,进而得到光束矢向和零点位置。最后,在航空制孔机器人平台上进行标定实验,并且根据标定结果进行了实验验证。实验结果证明:该方法能够较为准确地标定出激光测距传感器的光束矢向和零点位置,可使法向检测精度在0.18°内。      

基于多目标的消磁绕组优化调整方法

针对目前舰船消磁绕组优化调整方法中只考虑舰艇磁场信号幅值而较少考虑磁场梯度信号幅值的不足,提出同时以磁场幅值和磁场梯度幅值削减为目标的优化调整方法.为此,首先以线圈等效电流值为优化对象,磁场和梯度峰值为优化目标,建立了消磁绕组优化调整的多目标数学模型;随后采用多目标微粒群算法求解得到了该优化问题的Pareto解集;最后通过一个计算实例验证了方法的有效性.实例结果表明该方法能够同时处理磁场和磁场梯度幅值,并能给出多种不同等效电流组合以供选择使用.     

一种基于悬臂梁结构的动态推力测量方法

为实现星载微推进器性能评价中的动态推力测量,基于悬臂梁动力学模型,建立了测量系统的传递函数,分析了系统的输入输出特性,根据悬臂梁响应速度快（振动频率高）、动态分量在较小时间区间内接近等幅振荡（阻尼比小）以及高阶振动可视为基频振动噪声的特性,提出了求解稳态位移的末端均值法。该方法通过消除位移响应中的动态分量,得到了误差带较大时的稳态位移时变值,实现了动态推力测量。依据系统稳态位移与推力为线性关系、线性系数为系统增益值这一特性,提出了参数标定方法。搭建了试验平台,标定得到系统响应时间为156ms,通过对比扭摆系统测量结果,悬臂梁测量得到的冲击力与实际推力相对误差为4.064%,结合冲击力本身的测量误差1.383%,最终得到推力测量误差为4.293%。     

基于柔性平面靶标的摄像机现场标定方法

提出一种摄像机现场柔性平面靶标标定方法.该方法仅需在平面靶标上设置少量空间三维坐标已知特征点.在这些特征点中,任意共线的特征点可以确定一条直线,因此可以确定若干条直线.根据在透视投影变换下,直线和直线的交点均为不变量的性质,可获得除已知特征点之外的大量标定特征点用于摄像机标定.基于误差传播理论,对标定点的不确定度进行了详细分析.采用研制的尺寸为100mm×100mm,加工精度为0.01mm的柔性平面靶标,对摄像机进行了现场标定实验,获得了0.032mm的标定精度.