关节式坐标测量机运动学参数辨识

发布时间：2017-08-11 01:01

  本文关键词：关节式坐标测量机运动学参数辨识

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【摘要】：关节式坐标测量机是一种关节机器人结构形式的坐标测量设备,与传统三坐标测量机相比,具有体积小、重量轻、结构简单、便于工业现场应用的特点,目前主要用于产品逆向设计、大型精密零部件的装配、艺术品复制等领域,具有广阔的应用前景,但目前与传统坐标测量设备相比,其测量精度还较低,运动学参数辨识是提高关节式坐标测量机精度的最重要的方法之一。研究了关节式坐标测量机的结构特点,为了研究运动学模型对运动学参数辨识结果的影响以及提高关节式坐标测量机的精度,首先利用传统的DH(Denavit-Hartenberg)方法建立了关节式坐标测量机的运动学模型,然后为了解决DH方法运动学参数的连续性和奇异性问题,基于MCPC (Modified Complete and Parametrically Continuous)方法建立关节式坐标测量机另一种运动学模型,并通过仿真与实验的方法分别验证了所建立的运动学模型。分析影响关节式坐标测量机的测量精度的主要误差来源,并建立了基于DH方法与MCPC方法的误差模型。研究了关节式坐标测量机运动学参数辨识方法,通过对目前常见的单点法、两点距离法和平面法的分析,发现它们存在着采集到的数据冗余程度高、需要借助精密仪器、辨识计算量大等问题,在此基础之上提出一种基于直线距离的运动学参数辨识方法,该方法利用光栅传感器实现测头直线距离的计算,具有精度高、辨识计算量小的优点。为了解决该方法的装置运动不灵活的问题,又提出一种适用于工业现场的运动学参数辨识方法,该方法利用角度传感器实现测头空间两点距离的计算,具有运动空间大、运动灵活、采集数据广、计算量小的优点。分别设计出提出的两种方法的参数辨识装置,并申请了发明专利。用最小二乘法分别对建立的两种模型的关节式坐标测量机的运动学参数进行仿真辨识,确定了两种模型进行运动学参数辨识最少需要的数据量。对DH方法的运动学参数的线性相关性进行了分析,并得到线性相关的参数以及线性相关的参数对运动学参数辨识结果的影响规律。同时研究了辨识数据对辨识结果的影响,并确定了辨识时所需要的数据量。通过两种模型的仿真辨识,可以发现基于MCPC模型的运动学参数辨识精度要高于基于DH模型的精度,说明MCPC模型在参数辨识阶段的优越性。最后进行了实验研究。首先,采集关节转角值与光栅传感器的值并进行关节转角偏心误差的验证。其次,采集关节转角与测头坐标值并利用最小二乘法分别对两种模型进行运动学参数辨识。最后,对实验结果进行分析,分析表明不辨识关节转角零位偏差时,基于MCPC模型的辨识精度要高于基于DH模型的精度,但辨识出的运动学参数对测量机精度的提高效果有限。利用DH模型辨识出关节零位偏差后,再进行其他参数的辨识,则可极大提高测量机的精度,这说明关节零位偏差虽小,但对测量机精度影响却很大。而MCPC模型无法辨识出关节零位偏差,因此,如果要利用MCPC模型进行运动学参数的辨识必须首先提高角度传感器的安装精度,以确保关节转角的准确性。
【关键词】：关节式坐标测量机 运动学模型 误差模型 运动学参数辨识 MCPC模型
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH721
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 引言13-15
• 1.1.1 正交三坐标测量机的发展13-14
• 1.1.2 关节式坐标测量机的概述14-15
• 1.2 关节式坐标测量机的国内外研究现状15-19
• 1.2.1 关节式坐标测量机的国外研究现状15-18
• 1.2.2 关节式坐标测量机的国内研究现状18-19
• 1.3 关节式坐标测量机的关键技术与发展趋势19-20
• 1.3.1 关键技术分析19-20
• 1.3.2 发展趋势分析20
• 1.4 课题来源及研究意义20-21
• 1.4.1 课题来源20-21
• 1.4.2 研究意义21
• 1.5 本论文的主要工作21-22
• 1.6 本章小结22-23
• 第二章 关节式坐标测量机的运动学建模23-41
• 2.1 关节式坐标测量机坐标系统23-24
• 2.2 基于DH方法的运动学建模及验证24-31
• 2.2.1 基于DH方法的运动学建模24-26
• 2.2.2 基于DH方法的运动学仿真26-28
• 2.2.3 实验验证28-31
• 2.3 基于MCPC方法的运动学建模与验证31-36
• 2.3.1 基于MCPC方法的运动学建模31-33
• 2.3.2 基于MCPC方法的运动学仿真33-34
• 2.3.3 实验验证34-36
• 2.4 误差建模36-40
• 2.4.1 误差源分析36
• 2.4.2 基于DH方法的误差建模36-38
• 2.4.3 基于MCPC方法的误差建模38-40
• 2.5 两种建模方法的分析40
• 2.6 本章小结40-41
• 第三章 关节式坐标测量机运动学参数辨识方法研究41-55
• 3.1 动学参数辨识方法研究现状41-46
• 3.1.1 单点法42-44
• 3.1.2 基于两点距离法44-45
• 3.1.3 点到平面距离法45-46
• 3.2 基于直线距离的运动学参数辨识系统与方法46-50
• 3.2.1 运动学参数辨识系统47-48
• 3.2.2 运动学参数辨识方法48-50
• 3.3 基于空间两点距离的运动学参数辨识系统与方法50-54
• 3.3.1 基于空间两点距离的运动学参数辨识系统50-52
• 3.3.2 基于空间两点距离的运动学参数辨识方法52-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第四章 关节式坐标测量机运动学参数辨识仿真分析55-71
• 4.1 基于DH方法的运动学参数辨识算法55-58
• 4.1.1 多组测量点的辨识模型55
• 4.1.2 算法原理55-58
• 4.2 基于MCPC方法的辨识算法58
• 4.3 辨识仿真58-69
• 4.3.1 基于DH方法的仿真58-65
• 4.3.2 基于MCPC方法的仿真65-68
• 4.3.3 两种方法仿真结果的对比分析68-69
• 4.4 本章小结69-71
• 第五章 实验71-81
• 5.1 关节转角精度校验71-73
• 5.2 基于DH方法的运动学参数辨识实验73-77
• 5.3 基于MCPC方法的运动学参数辨识实验77-79
• 5.4 两种方法实验结果的对比分析79
• 5.5 本章小结79-81
• 第六章 结论与展望81-83
• 6.1 本文工作总结81-82
• 6.2 未来工作展望82-83
• 致谢83-85
• 参考文献85-89
• 附录 攻读硕士学位期间获得的科研成果89-90

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本文编号：653454