基于自适应极值的白光干涉信号解调算法研究

针对传统时域解调算法等光程点定位稳定性差、抗干扰能力弱,而频域解调算法效率低且部分方法受扫描采样步长限制等问题,课题组提出一种基于自适应极值的白光干涉解调算法。从干涉信号统计学规律出发,通过对干涉信号包络曲线加权平均,将它修正为高斯型包络曲线;然后,通过对包络曲线高斯拟合插值得到等光程点,进而得到测量方向的深度信息以及三维形貌;最后,以高度为20μm标准台阶样块为测量对象进行多次实验。结果表明:与传统算法相比,课题组所提出算法的测量重复性和精度均有显著提升。该算法为白光干涉中信号解调提供了一种重复性更好、误差更小的方法。

基于低相干干涉的孔类零件内表面测量系统研究

对孔类零件的内表面进行测量是判断其加工质量和使用寿命的重要手段。针对精密孔类零件内表面测量的需求,提出一种基于低相干干涉的内表面测量及信号处理方法,并搭建了完整的检测系统。对低相干干涉的测量原理进行了分析;搭建了以迈克尔逊干涉仪为主体,主要包含光源、探测器、数据采集仪、参考臂、样品臂等部分的检测系统;研究了干涉信号滤波以及包络峰值提取算法;最后,通过实验验证了此系统可以表征孔类零件的内部特征,并且其测量精度可达10μm以内。

激光跟踪仪测量系统主动靶球装置设计及测试

针对目前激光跟踪仪测量工作中靶球容易断光、需要人工引导激光的问题,课题组设计出了一种能够自动对光的主动激光靶球(spherically mounted retroreflector,SMR)装置。基于STM32系列单片机实现了控制电路的设计,通过实时检测跟踪仪的转角以及靶球自身的自转角度,能够准确计算出靶球收光口与跟踪仪出射激光之间的偏角,进而控制步进电机带动靶球作相应的旋转实现对光;将主动靶球装置安装在4足机器人上进行了性能测试。研究结果表明使用该主动靶球装置可以有效减少激光跟踪仪断光次数,提高了跟踪仪在机器人在线检测等领域的测量效率,具有良好的实用性。

基于LabVIEW的白光干涉测量系统算法开发及软件设计

为全面实现白光干涉测量系统的搭建及应用,在硬件结构的基础上对软件系统进行了设计和开发。以LabVIEW图形化编程语言为开发工具,分别通过.NET控件、ActiveX控件与运动控制器和数据采集仪建立通信,实现对5个运动轴的协调控制及数据的实时采集及分析处理。最后通过对标准环规的测试,验证了此软件不仅能精确高效地完成白光干涉测量系统的测试任务,其所输出的点云数据还可以进一步处理获得直径、圆柱度等形位公差信息。

应变式纱线张力传感器的优化设计及实验

为了提高应变式纱线张力传感器的灵敏度和稳定性,对传感器中的敏感元件进行优化,利用ANSYS对其进行了静力结构分析,优化后的敏感元件应变值比优化前提高了11.6%,且形变量更小,既保证了传感器的灵敏度和测量量程又保证了敏感元件在形变时能够处在弹性极限内。同时对优化前后的敏感元件和传感器进行了模态分析,优化后的敏感元件比优化前一阶固有频率提高了313.24 Hz,且传感器比优化后的敏感元件的一阶固有频率提高了7.96%,保证了传感器的稳定性。将优化后的敏感元件制成的传感器与标定传感器进行对比实验,两个传感器的输出误差在2%~5%,验证了优化后的敏感元件具有良好的灵敏度和稳定性。

一种柔性X-Y-Z-θ_(z)四自由度位移传感器的设计与实验

现有多自由度位移测量大部分是通过多个位移传感器组合而实现的,致使其多轴累积误差过大。针对这一问题,提出一种基于单个弹性体感知元件来实现X-Y-Z-θ_(z)四自由度位移测量的新方法并进行了实验验证。其中,弹性体采用大应变柔性材料,依据其移动端位移与固定端应变的对应关系,并通过设计应变片布片方案及电桥连接方式,获得了完善的四自由度位移测量方案,且较好地解决了四个被测参数之间的耦合问题。实验结果表明:X、Y、Z、θ_(z)四个位移量单独测量时,其测量误差分别为2.86%、2.57%、2.33%、1.08%;同时测量多个位移参数时,传感器也能准确地实现每个位移量的测量,且平均测量误差低于4%。

基于极小极大算法的双臂机器人精度提升方法

针对双臂机器人绝对精度和协作精度的指标要求,基于激光跟踪仪测量的双臂末端三靶球点位数据,使用极小极大的搜索算法,提出了鲁棒的双臂机器人运动学几何参数校准方法。该方法分两步:首先,分别对左右两臂的几何参数进行校准,在左(右)臂末端安装三个靶球,以三个测量点中的最差绝对定位误差为指标函数建立非线性优化问题,确保校准结果的鲁棒性并提高机器人末端的定向精度,采用二次序列规划法求解;然后,对左右两臂间的坐标准直进行校准,以三靶球中左右臂间的最差协作定位误差为指标函数,采用极小极大算法提升双臂间的协作位姿精度。

柔性X-Y-Z-θz四自由度位移传感器的静态解耦方法研究

多维位移间的耦合是影响柔性四自由度位移传感器测量精度的重要因素,另外由于材料的高弹性,使传感器存在较大的迟滞以及一定的非线性,进一步影响了测量精度。针对以上问题,本文首先提出采用对传感器正反行程分别进行静态解耦的方法来解决迟滞的问题;其次,通过对三种常用解耦算法的分析比较,得出基于耦合误差建模的静态解耦算法适用于四自由度位移传感器的解耦,并在其线性的理论基础上推导得到了适合文中使用的四自由度位移传感器的非线性模型。结果表明,在使用基于耦合误差建模的静态非线性解耦算法后四自由度位移传感器的Ⅱ类误差降低了大约2~16倍,测量精度得到有效提高。

基于大变形理论的机械手四维柔性位移感器研究及标定

本文针对柔性四维位移传感器各方向位移之间的耦合问题,对其位移与应变关系进行了研究。通过对弹性体表面应变片布片方案的优化以及采用基于悬臂梁模型的大变形理论,有效降低了x、y、z、θ_(z)四个方向之间的位移耦合,实现了对各方向位移的精确测量,并通过仿真分析验证了该模型及方法的正确性。最后,制作了四维位移传感器,并进行了实验测试及标定,结果表明该传感器不仅能同时进行多方向位移测量,还能把全量程测量误差控制在4%以内,尤其是x、y方向测量误差小于2%。实现了结构简单、测量范围大、测量精度高的四维位移传感器的设计及验证。

基于聚氨酯弹性体位移传感器的有限元分析及实验

为揭示聚氨酯弹性体位移传感器固定端应变与运动端位移、扭转之间的关系,课题组基于橡胶类材料单轴拉伸实验得到的应力应变关系,通过数据拟合后确定最适合聚氨酯弹性体材料的Ogden本构模型及参数。用ABAQUS软件建立了聚氨酯弹性体位移传感器的非线性有限元模型,分析运动端位移和扭转情况下传感器的应力、应变和位移变化规律。研究表明:随着运动端位移和扭转的加载,固定端的应变随之增加,当位移达到30 mm时,最大应变出现在距离固定端4 mm处;当扭转达到15°时,最大切应变区域为整个弹性体发生扭转变形部分;此分布规律指导了传感器设计中应变片布置方案。将传感器仿真与测量实验数据对比,误差在10%以内,符合传感器要求。

谐波减速器柔性效应对机械臂末端精度的影响

在工业机械臂的运动过程中,由于谐波减速器的柔性效应会导致其产生传动误差,进而造成机械臂末端的定位精度下降,针对这一问题,以UR10机械臂为例,为了减小其传动误差,提高机械臂末端的定位精度,分别对谐波减速器和机械臂进行了理论建模及仿真研究。首先,联合ADAMS和ANSYS-APDL,对谐波减速器三维模型进行了仿真分析,研究了不同转速下谐波减速器的传动误差;然后,建立了谐波减速器动态传动误差的动力学方程,采用龙格库塔迭代求解得到了其动态误差曲线,利用数值解验证了仿真解的正确性;最后,分析了不同转速下谐波减速器的传动误差对刚柔耦合机械臂末端执行器的角速度、角加速度以及定位误差的影响规律。研究结果表明:当关节转速为额定转速的70%时,谐波减速器的仿真传动误差范围最小为-8.0″~7.5″,且机械臂末端定位误差最小为1.07 mm,此时传动误差对机械臂末端精度的影响最小,其定位精度最高。

UR10工业机械臂位置精度及可靠性分析

针对工业机械臂在高速、高负载运行过程中存在抖动过大、定位精度不足等问题,以UR10工业机械臂为研究对象,采用ANSYS软件对其位置精度及可靠性进行仿真分析。建立了UR10工业机械臂有限元模型,设计并计算了UR10工业机械臂在某运动工况下的运动轨迹和动态应力,从而得到了机械臂在不同驱动速度下,完成相同运动状态的末端工具位置精度;分析了随机变量材料属性、外部负载和内部驱动速度对末端工具位置精度可靠性的影响。试验结果表明,机械臂内部驱动速度对末端位置精度的影响最大,其可靠性为98%。

传感器弹性元件本构模型参数拟合研究

针对多维位移测量系统结构复杂、成本高等缺点,课题组提出一种单一固体集成传感器,为了准确描述传感器弹性元件力学特性,在不同应变率下对传感器弹性元件进行准静态单轴压缩试验。将超弹性本构模型运用泰勒展开式进行整理简化,得到应力-应变关系,利用Origin对应力-应变曲线进行数据拟合;选用Mooney-Rivilin,Yeoh,Biderman和Ogden这4种超弹性本构模型对试验曲线进行描述。研究结果表明:Biderman模型对曲线的拟合效果最好,Mooney-Rivilin模型拟合效果最差,其他模型都存在小应变拟合差和中等以上不同程度的偏离的情况。本研究得到的应力应变关系为传感器的进一步研究提供重要参考。

工业机器人重载下关节变形补偿

传统校准方法只能辨识空载工况下机器人杆件及关节误差,当机器人在大负载工况下由于变形会导致末端精度显著下降。提出了大负载机器人在重载条件下关节变形的模型,通过激光跟踪仪测量辨识机器人关节刚度系数,并优化控制律设计。该方法基于指数积(POE)模型和微分误差模型,在空载工况下计算出结构参数,零位误差,将补偿结果写回机器人控制器;在满载条件下基于之前的坐标准直,辨识机器人关节刚度系数,完成校准过程。本算法在新松、埃斯顿等多家机器人公司的产品上进行了验证。结果表明:该校准方法能够使大负载机器人在重载工况下的绝对定位精度与空载工况下接近。

基于相对精度指标的机器人运动学校准

针对工业机器人在激光切割、弧焊等应用领域对相对精度的指标要求,结合鲁棒的极小极大优化理论,提出基于相对精度指标的运动学结构参数校准方法.通过最小化3个靶球对应的最差相对定位误差,保障前、后两位型间的相对定向精度,构建包含约束的非线性优化问题;使用二次序列规划方法对原问题进行近似,通过主二元子梯度算法在满足不等式约束的条件下快速搜索局部最优解,实现对由于部件制造和装配等环节引入机器人结构参数误差的辨识.进行补偿并精度验证后的实验结果表明,六轴机器人IRB2600的相对定位及定向精度分别提升了67.98%和24.32%,七轴机器人IRB14000分别提升了90.61%和74.61%.

基于有限元法及遗传算法的推力杆球铰多目标优化方法

为优化推力杆的球铰结构并提高其疲劳寿命,提出一种基于有限元法和遗传算法的推力杆球铰多目标优化方法。该优化方法通过有限元法计算不同橡胶衬套预压缩量和球铰结构的推力杆球铰橡胶衬套的应变分布特征和刚度参数,进而得到推力杆刚度参数、橡胶衬套预压缩量与球铰关键结构参数之间的关系,并在此基础上采用遗传算法建立推力杆球铰的多目标优化模型。利用建立的多目标优化模型计算得到推力杆球铰的优化方案。样件台架试验结果表明,此优化方案使推力杆球铰的疲劳寿命提高了7倍。提出的多目标优化方法充实了变截面橡胶金属复合结构的设计理论,并为推力杆的优化设计提供了理论依据。

用于小型化纱线张力仪的后端电路设计与实现

关于设计并实现了用于小型化高精度电阻应变式纱线张力仪的后端电路,文章详细描述了电路硬件设计、PCB设计及加工、软件设计及仿真实验四个阶段。借助Altium Designer软件,设计了单片机、电源供电、小信号放大及AD/DA转换四个模块。通过三块双面板、印制电路板及贴片式元器件,实现了所有元器件的准确有效排布,每块PCB的尺寸仅为25.5 mm×8.5 mm。最后,仿真及实验结果证明设计并加工的电路误差极小。

基于多基站激光跟踪仪的机器人位姿精度测试方法

针对机器人末端位姿精度测试的需求,提出了基于多基站激光跟踪仪的测试方法。该方法采用三靶球测量方案,通过非线性最小二乘法求解转站参数,并融合多基站测量数据实现机器人末端位姿精度的测试。通过直线导轨和转台标准器对该方法的测试效果进行实验验证,结果显示相对于单基站激光跟踪仪的测试方法,三基站测量的定位精度提升了38.5%,定点重复精度提升了42.2%。将该多基站测试方案在型号为IRB14000的工业机器人上进行了试验,根据工业机器人性能规范及其试验方法国标(GB/T 12642)要求进行操作,得到了机器人位姿精度的测试结果,证明了该多基站测试方案的可行性。

用于动态力值分析的质量块加速度分布研究

本文基于相对法正弦力校准原理,通过理论推导、实验测试及仿真分析对半径为70 mm、高为30 mm的铝质圆柱状质量块的轴向及径向加速度分布规律进行研究。首先,推导并得到了质量块各个位置的加速度分布规律;其次,在各特征点对质量块加速度分布进行了实际测试;最后,对质量块进行建模仿真,得到其轴向及径向加速度分布情况,并与理论与仿真的结果进行对比。轴向方面,理论、仿真及实验三层面的结果均非常吻合;径向方面,仿真及实验结果十分吻合,今后可用于对绝对刚度假设进行修正。

多基站激光跟踪仪协同测量的误差影响因素研究

激光跟踪仪由于精度高、测量范围大、可多维测量等优势被广泛用于工业机器人的性能测量中。常规的大型设备位置尺寸测量,单基站激光跟踪仪便可以满足需求,然而在对双臂机器人、多机器人联动系统等复杂对象进行测量时,单基站激光跟踪仪不能满足同步实时测量的要求,需要采用多基站激光跟踪仪进行协同转站测量。从多基站激光跟踪仪测量的原理出发,开展多基站激光跟踪仪协同测量的误差影响因素研究,分析不同影响因素对于测量误差的影响,并通过仿真实验对比了最小二乘法、SVD分解法及四元数求解法三种方法对坐标转换的解算精度,对今后多基站激光跟踪仪测量系统的推广应用有一定的指导意义。