一种工具坐标系标定与公共点结合的机器人与激光跟踪仪坐标转换方法

机器人标定需要实现测量坐标系与机器人坐标系的配准关联,得到两者之间的转换关系。为克服传统基于轴线矢量坐标系转换方法操作复杂、拟合精度不高等缺点,提出一种工具坐标系标定与公共点转换相结合的解算方法。首先基于距离约束标定出光学靶标球中心相对于末端法兰坐标系的位置参数,而后通过重心化配置降低测量误差对坐标转换的影响,最后基于公共点转换采用三维七参数模型求解坐标转换齐次矩阵。实验结果表明,相比于基于轴线矢量坐标系转换的传统拟合方法,该方法的点位综合MAE减小35.44%,坐标转换精度更高,且操作方法简单,适合工业现场使用。

基于运动学标定和空间插值的机器人定位误差补偿

绝对定位精度是衡量机器人性能的重要指标。为提升工业机器人的绝对定位精度,提出一种融合运动学标定和空间插值的定位误差分级标定的方法。首先基于D-H法建立机器人运动学模型,运用微分运动学理论建立机器人末端位置误差模型,结合IGG3权因子函数采用抗差岭估计辨识了运动学参数。而后基于机器人定位误差空间相似性特点,采用空间插值法对剩余误差进行补偿。最后通过实验对所提出的方法进行了验证。结果表明:机器人定位误差RMS值由补偿前的0.812 mm减小为0.049 mm,精度提高了93.97%。该方法能够有效减小机器人的绝对定位误差,提高定位精度。

基于RANSAC算法的工业机器人运动学参数标定

为提升工业机器人末端绝对定位精度,文中提出一种基于RANSAC算法的运动学参数标定算法。首先采用D-H模型建立末端位置运动学误差模型;通过RANSAC算法对标定点集进行筛选,剔除误差较大的粗差点;最后采用抗差岭估计辨识运动学参数,减少测量扰动、粗差和法方程病态性等因素的影响。试验结果表明,机器人绝对定位精度的RMS误差由0.999 mm降低至0.229 mm,误差下降77.08%。相比于传统的标定算法,文中算法辨识运动学参数准确性更好,标定精度更高。

多路绝对激光测距仪精密三维控制网的建立与解算

建立高精度三维控制网是实现大型粒子加速器等精密工程测量的前提条件,目前主要通过间接测量两点间距离或者自由设站实现,而多路绝对激光测距仪可在0.02~30 m范围内直接测量空间中两点间距离,利用高精度绝对测距值可建立高精度的三维测边控制网。基于多路绝对激光测距仪高精度绝对测距性能,建立仅含控制点间距离的秩亏自由网平差模型,通过任意初值选取,应用改进的LM算法迭代求解非线性超定方程组实现坐标概算,得到方程组的一组解作为未知数的近似值进行整网平差,获得高精度控制点坐标。实验数据分析表明,在8 m×3.5 m×2.5 m的实验范围内,建立控制点平均点位精度优于±1.14μm的三维测边网,可满足现代工业生产中对安装定位的高精度需求。

改进型PSO算法解算三维测边网平差模型

空间三维测边网属于典型的秩亏自由网。针对目前网平差常用的最小二乘算法存在线性化求导复杂,计算量大等问题,本文基于高精度测距值,以控制点坐标反算距离与观测距离差值之和最小为目标,构成非线性方程组,建立函数模型;考虑到非线性方程组求解方法中智能优化算法无需求导和公式推导简单等优点,引入粒子群(PSO)智能优化算法,并构建改进型PSO算法。研究结果表明,根据本文提出的改进型PSO算法进行平差解算,可保证解算结果的准确性,且该算法较传统PSO算法的寻优速度更快,不仅可为空间三维测边网的解算提供新思路,还可为建立空间三维测边网提供理论支撑。

激光跟踪仪大角度不整平测量精度分析

利用全站仪进行竖井等狭窄竖向空间传递测量时,垂直角过大导致高程精度急剧降低。根据激光跟踪仪可在平躺甚至倒挂状态下测量的特点,将狭窄竖向空间的垂直角测量转化为水平角测量,可以解决竖向高程传递问题。采用独立参数推导了适用于大旋转角的坐标转换和三维边角网平差模型;利用自主设计的大角度倾斜姿态测量装置,分析了仪顶角对精度的影响,并优化设站方式,实现激光跟踪仪在整平状态、旋转45°和旋转90°的3种姿态测量。不同布设模式的控制网平差结果表明,大角度不整平三维网的均方根误差小于0.349 mm,单位权中误差小于0.582 mm,点位精度优于0.634 mm,距离差值优于0.044 mm,精度可靠,此方法可用于狭窄竖向空间的三维坐标传递。

附加物方长度约束的三维坐标交会测量

大型粒子加速器等精密工程在加工制造及设备安装等方面对空间三维坐标精度提出了极高的要求,在利用多路绝对激光测距仪进行多边交会测量空间点三维坐标的基础上,在物方(目标点所在物体)上附加高精度长度约束以进一步提高点位精度。以多路绝对激光测距仪的高精度绝对测距性能为基础,通过已建立的三维测边网及免自标定的激光多边交会测量平差模型,得到高精度的目标点空间三维坐标。在此基础上,附加涵盖目标点信息的物方长度约束,建立对应的附有条件的参数平差模型,进行平差解算。实验分析表明,在多边交会测量基础上附加物方长度约束,可提高物方目标点坐标的精度,在8 m×3.5 m×2.5 m的整体实验范围内,点位精度最高提升0.74μm,较原精度提升27.0%。该方法可操作性强,可用于现代装备制造业中高精度大尺寸坐标测量。

粒子加速器准直中测站坐标系高精度恢复方法

为满足在粒子加速器准直过程中元件高精度安装的需求,需要提高激光跟踪仪测站坐标系恢复精度。本研究根据控制点在全局及测站坐标系下的三维坐标及其统计性质,构建恢复测站坐标系的数学模型;针对加权整体最小二乘算法(WTLS)中存在公式推导复杂且没有顾及旋转矩阵正交约束条件等问题,提出一种函数模型线性化方法,在考虑旋转矩阵正交约束条件的基础上迭代计算;通过理论推导建立误差模型,定性分析影响解算精度的因素,并进行仿真及实测实验验证。仿真结果表明,相较于WTLS,本研究在3~8个公共点情况下,均方根误差平均减小18μm,验证了本研究方法的正确性;实测结果表明,在相同公共点情况下,本研究方法相较于WTLS,均方根误差平均减小54.5%,且将非公共点坐标转换至全局坐标系下,坐标分量差值平均减小3μm,在一定程度上提高了测站坐标系恢复精度。

球坐标测量系统近距离ATR精度测试方法与实验分析

以精密工程与工业测量领域小范围三维控制网的建立需求为背景,阐述了球坐标测量系统近距离ATR精度测试方法,针对现有激光跟踪仪校准规范未给出测角精度评定方法的局限性,提出利用全圆方向法和常角观测法进行激光跟踪仪测角精度评定的方法;鉴于传统加常数测定方法精度较低或工作量较大等问题,利用角度空间前方交会法测定全站仪配合球棱镜使用时的加常数,并利用激光干涉仪标准装置评定仪器的测距精度;由于全站仪的标称精度指标未给出三维坐标精度,利用空间三维坐标转换模型评定仪器的坐标测量精度。利用MS60全站仪和AT402激光跟踪仪进行实验分析,结果表明,球坐标测量系统近距离ATR测量精度具有较高可靠性。

相机和激光跟踪仪PEIV的WTLS稳健估计相对位姿标定

采用激光跟踪仪测量系统结合视觉测量系统进行相对位姿标定时,最小二乘算法(LS)由于未顾及函数模型中系数矩阵元素存在的随机误差,将降低相对位姿参数的求解精度。因此,基于罗德里格矩阵的坐标转换模型,引入部分变量误差模型(PEIV)加权总体最小二乘(WTLS)算法求解位姿标定参数。为减免粗差的影响,利用具有高崩溃污染率的中位数抗差方法计算单位权中误差,并对残差进行标准化处理,选取Danish函数作为等价权函数,对观测值和系数矩阵元素进行合理赋权。实例分析结果表明,应用该方法进行标定,在某点坐标分量存在0.05 mm粗差情况下,最大可减少0.04 mm的单位权中误差,根据标定参数计算的坐标值较LS更接近理论值,证实本文方法的有效性。