柔性机械臂运动学参数标定与精度补偿技术研究

发布时间：2020-09-28 15:32

　　机械臂作为一种环境适应性强和灵活性高的柔性自动化设备,在工业生产、医疗服务、抢险救援、空间探索等领域已获得了越来越广泛的应用。机械臂精度受到制造装配误差、关节间隙与迟滞、关节编码器误差以及环境变化等多种因素耦合影响,作用机理复杂,使得机械臂在精细作业等任务中受到极大限制。同时,由于具有高负载自重比、操作灵活、功耗低等诸多优点,机械臂正朝着轻量化的方向发展,但其结构的轻量化导致关节与臂杆的柔性加大,柔性误差的存在对机械臂操作精度的提高带来了新的难题。本文基于轻小型机械臂智能感知与智能控制课题需求,面向柔性机械臂开展运动学参数标定及精度补偿技术研究。具体包括柔性机械臂末端操作精度影响因素分析、柔性机械臂运动学参数标定方法研究、柔性机械臂标定用构型优化方法研究、机械臂精度补偿软件研制和实物实验。首先,研究影响柔性机械臂操作精度的相关因素及其作用规律。通过分析作用机理梳理出影响柔性机械臂末端操作精度的五大误差源;通过建立各误差源与柔性机械臂末端位姿误差间的数学模型,分析误差源对柔性机械臂末端操作精度的灵敏度。基于8自由度模块化机械臂的仿真实验给出了各误差源引起的柔性机械臂末端位姿误差随机械臂构型变化的规律、以及各误差源在柔性机械臂末端位姿误差中的占比,为柔性机械臂运动误差建模提供了依据。其次,面向误差源导致的柔性机械臂运动学参数失准问题,研究柔性机械臂运动学参数标定方法。基于MDH运动学模型,推导机械臂几何误差与末端位姿误差间的映射关系,建立机械臂几何误差模型;基于机械臂关节和连杆的受力分析,推导机械臂柔性误差与末端位姿误差间的映射关系,建立机械臂柔性误差模型;基于几何误差模型和柔性误差模型建立柔性机械臂运动误差模型,并设计适用于柔性机械臂的运动学参数标定方法。所提出的标定方法能够在柔性误差影响下准确求解出机械臂运动学参数。再次,面向不同构型间误差映射能力的差异而导致的使用随机构型标定效果不佳的问题,研究柔性机械臂标定用构型优化方法。在分析影响运动学参数标定精度因素的基础上,建立了能够综合反映构型组观测能力和全局性的构型组质量评价指标;基于平均指标建立了运动学参数标定用构型优化模型并设计了优化方法,使用该方法获得的标定构型组能有效提高运动学参数的标定精度。最后,设计并开发了机械臂精度补偿软件,并开展了基于8自由度模块化机械臂的实物实验。所设计的软件能够有效结合本文的理论成果并应用于实际机械臂的标定中,进一步验证了本文所提方法和所研制软件的实际应用性。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP241
【部分图文】：

关节,机械臂,扭角,误差源

标。机械臂定位精度可以划分为绝对定位精度和重复定位精度两个类别对定位精度反映了机械臂对指定目标位置的逼近程度，重复定位精度反臂对同一任务的重复执行质量。然而机械臂精度受到制造装配误差、关迟滞、关节编码器误差以及环境变化等多种因素耦合影响，作用机理复杂者们在误差源梳理方面的工作均是针对具体机械臂展开的，一般机械臂差源分析方法还有待研宄；而在误差源建模方面，现有研究主要针对连差和关节间隙展开，对于影响机械臂精度的其他误差源的建模还有待研此，本章首先将通过分析作用机理来梳理影响柔性机械臂操作精度的误而针对各误差源建立其数学模型，以分析各误差源对机械臂末端操作精度；最后，本章以具体机械臂为例通过数值仿真分析各误差源在机械臂误差上的作用规律以及影响程度。逡逑于ＭＤＨ方法的柔性机械臂运动学建模逡逑ＤＨ方法采用《、ａ、Ｊ、０、五个参数对机械臂两连杆之间的关系进轴卜１逡逑Ｉ逡逑

示意图,坐标系,示意图,关节

l挾ㄒ逦嗔诹搅硕杂Φ墓瓜叩募薪牵莆亟谧牵唬坑耄崂嗨疲缅义嫌诿枋鱿嗔诠亟谥嵯咧涞募薪恰ｅ义系毕嗔诠亟诓黄叫惺保嗔诠亟诘模停模茸晗等缤迹玻彼尽８菟㈠义系模停模茸晗担鞑问木咛逯导纯煞奖愕幕竦谩Ｆ渲校樱冢街奕疲唬掊义现嵝慕嵌龋唬幔樱冢街崞揭频木嗬耄唬拔拥结疲冢嵝义系慕嵌龋唬次拥剑兀兀冢崞揭频木嗬耄淮耸眗2＝0。逡逑当相邻关节平行或近似平行时，相邻关节的ＭＤＨ坐标系如图２－２所示。此逡逑时，／？，．为绕｝＾轴旋转的角度，其余参数与相邻关节不平行时一致。逡逑轴Ｍ逦轴ｚ’逡逑N逡逑／邋平面邋ｇ＾逦；逦／逡逑图２－２近似平行相邻关节的ＭＤＨ坐标系示意图逡逑通过所建立的ＭＤＨ坐标系及获得的ＭＤＨ参数可以发现，对于相邻平行关逡逑节，两连杆坐标系之间的变换关系被分解成了五个子变换，通过基于四个参数获逡逑得的齐次变换矩阵的连乘可以获得连杆坐标系间的变换关系

关节,平行度公差,轴线,垂直度

以测量关节轴线垂直度或平行度时所取轴线的起始位置和终止位置所在平逡逑面为所考虑圆柱的上、下底面，在这两个平面上各随机地取一个点，记为点Ａ逡逑和点Ｂ，两点的连接线即为实际可能的关节轴线位置，如图２－３所示。其中，０，逡逑和0２为所考虑的圆柱的上下底面的圆心，０Ｘ７Ｚ为关节轴线无偏移时的关节坐标逡逑系，0＇Ｘ’ｙ’ｚ’为关节轴线偏移后的实际坐标系。逡逑Ｉ逦／逡逑］—逡逑Ｉ邋Ｉ邋／逡逑ｊ邋／逡逑▲逡逑ｌ２邋±逡逑ｔ邋Ｔ逡逑／逦Ｉ逡逑／逦Ｉ逡逑图２－３关节轴线偏移引起的坐标系微分变化逡逑若装配处的垂直度或平行度公差值为ＡＰ邋，则所考虑圆柱的上下底面半径为逡逑ＡＰ／２。Ａ、Ｂ两点分别为上下底面上随机的一点，将Ａ、Ｂ距圆心的距离分别记逡逑为Ｈ和｜ｒ２｜，邋＾和〃２的选取应服从正态分布且遵循原则，ｇ［］；＾ａｒ２应满足逡逑ｒ】，２邋ｅ［－Ａ／ｙ２，ＡＰ／２］逡逑／邋／逦，邋、，、逦（２－１３）逡逑／１

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