Positioning error compensation for parallel mechanism with two kinematic calibration methods

Compared with serial mechanisms, the parallel mechanism(PM) theoretically exhibited higher positioning accuracy, dynamic performance, strength-to-weight ratio, and lower manufacturing cost, but they had not been widely used in the practical application. One key issue, positioning accuracy, which directly affected their performance and was greatly influenced by the errors of kinematic structure parameters was analyzed. To effectively enhance the positioning precision of PMs, a novel modeless kinematic calibration method, namely the split calibration, was presented and its compensation effect of the positioning error was comprehensively compared with that of an integrated method on two different types of PMs. A strange phenomenon-correct and incorrect identified results were derived from two different PMs by the same integrated method, respectivelywhich had not been reported yet was discovered, and the origin of it was revealed utilizing numerical simulations. Finally, respective merits and drawbacks of these two methods obtained in this paper provided underlying insights to guide the practical application of the kinematic calibration for PMs.

一种可实现多运动模态的串并联机构的运动学分析

串联机构灵活,工作空间大,并联机构稳定,承载能力强。串联和并联机构结合起来的混联机构兼具两者的优点,整体机构的灵活性高且工作空间大,可以实现多种运动模态,但运动学分析较复杂。提出了一种基于3-RPS的新型串并混联机构,其可以实现多种运动模态。首先,阐述了机构的结构特性,建立了机构的坐标系;其次,根据机构特点,对其进行了正、逆运动学的分析,建立机构的正解和逆解模型;最后,通过数值算例进行验证,将理论计算结果与Adams仿真结果进行对比分析,结果表明,所构建运动学模型正确,且机构具有蜿蜒、伸缩等多模态运动功能。

基于双目视觉距离误差测量的工业机器人运动学标定方法

针对机器人标定中存在的成本昂贵以及应用生产中末端精度低问题,提出了一种基于双目视觉距离误差测量的工业机器人运动学标定方法。首先,进行双目相机标定和畸变矫正,通过双目视觉测量模型计算匹配特征点的距离并提出三维空间坐标的双目视差空间位置匹配策略。其次,以机器人运动学模型为基础,引入微分算子建立机器人微分运动模型,建立机器人运动学误差模型,得出机器人各个关节的运动学参数与机器人末端位置误差之间的关系。最后,以IRB1200机器人为研究对象,对比分析应用高精度激光跟踪仪与双目视觉测量方法得到的距离误差和位置误差,两者误差均在10^(-1)mm级别,满足距离误差和位置误差测量要求,且经多种优化算法对机器人进行运动学标定后,其距离误差比优化前平均降低了61.5%。基于双目视觉距离误差测量工业机器人运动学标定方法可有效提高机器人末端精度,降低标定成本。

基于ADAMS的Stewart平台运动学分析

针对在Stewart 6自由度并联平台设计中,支腿的运动学及动力学参数理论计算过于复杂的问题,课题组提出了基于ADAMS的Stewart平台反解与正解相结合的分析方法。首先,通过ADAMS反解求得支腿位移参数;然后,将位移参数转换为驱动函数添加在各个支腿上;接着,通过ADAMS正解求解支腿其余运动参数;最后,通过实例对比理论计算与ADAMS分析数据。结果表明:课题组提出方法求得的支腿位移与理论值之差均小于0.01 mm,支腿最大速度及最大加速度与理论值误差均小于2%,从而验证了该分析方法的合理性与科学性。该分析方法为工程中遇到的6自由度平台已知动平台驱动函数求解支腿参数的实际问题提供了一种高效的解决办法。

一种新型3-RRPU并联机构的运动学及鲁棒控制研究

针对现有的三平移并联机构大多正解不唯一、较难实现精确稳定运动控制的问题,提出了一种新的3-RRPU型三平移并联机构,同时研究了机构的运动学、动力学及轨迹跟踪控制方法。首先,运用螺旋理论分析了该机构三平移的原理,进行了驱动输入的选取与论证,对机构平台奇异性、驱动奇异性和支链奇异性进行了分析;其次,运用运动学理论建立了运动学模型,推导了位置正、逆解析解;再次,运用拉格朗日动力学理论建立了机构操作空间的刚体动力学模型;最后,提出了一种基于非线性反馈解耦的自适应滑模轨迹跟踪控制方法,以证明其控制稳定性,并基于动力学模型对空间轨迹跟踪精度和控制力矩进行了仿真分析。研究结果表明:3-RRPU并联机构的位置正解在一般位形下具有唯一性,机构的平台奇异位形和驱动奇异位形少且无支链奇异。该轨迹控制方法可使机构在载荷20 kg、速度0.18 m/s、加速度0.12 m/s 2下,实现0.002 m以内的高精度复杂轨迹跟踪;基于Sigmoid函数的轨迹控制方法还能有效削弱控制力矩的抖振,为实现工业领域高速、高精度、高性能的三平移运动提供了新方法。

零耦合度Stewart型并联机器人的位置正解个数

一般六自由度并联机构的位置正解是继空间7R(R:转动副)机构位移分析完成后的又一机构学难题,目前数学上尚无完备的解析求解方法。以零耦合度的“3-2-1”式Stewart型并联机器人为例,研究了位置正解的个数,并分析了正解个数发生变化的条件。首先,基于杆长约束方程并运用四面体原理,解析推导了机器人位置正解的全部8组解。其次,通过分析动球铰的位置特性,挖掘出正解方程分别为8组、4组、2组、1组解析解时,所需满足的数学条件。接着,根据静球铰位置特性并结合正解算法流程,研究了影响正解方程实数解个数的因素。最后,剖析了并联机器人位置正解个数与Hunt奇异之间的内在联系。研究结论为并联机器人的实时控制和轨迹规划奠定了理论基础。

基于粒子-人工蜂群算法的3RPUP_(c)-UPS并联机构运动学正解研究

针对3RPUP_(c)-UPS并联机构运动学正解求解困难的问题,对新型3RPUPc-UPS并联机构的运动学特性进行了研究,并构建出位置正解求解模型,进而提出了一种基于粒子-人工蜂群算法(P-ABC)的并联机构运动学求解方法。首先,根据机构的拓扑特性,计算得到了方位特征集、自由度和耦合度;然后,根据机构的几何特征,基于姿态变换矩阵和动平台投影方程,建立了机构的运动学逆解方程,并对比了MATLAB和SOLIDWORKDS的仿真结果,验证了逆解分析的正确性;最后,将运动学逆解方程转化为最小化求解问题,构建出了适合优化算法的运动学正解模型,并利用MATLAB的软件交互界面(GUI)功能,开发出用于计算并联机构运动学正解的软件,分别基于粒子群算法(PSO)、人工蜂群算法(ABC)和P-ABC算法,对该并联机构的运动学正解进行了计算。研究结果表明:P-ABC算法单次求解时间在0.5 s内,求解误差级别为10-20,相对于ABC算法,运行时间缩短了50.02%;而相对于POS算法,其求解精度提高了10个数量级。P-ABC算法能够用于求解该并联机构运动学正解,具有计算速度快、精度高的特点,可以为研究并联机构运动学正解提供新方法。

基于运动学模型的工业机器人校准

工业机器人在安装过程中由于场地限制和人为等因素会产生一定的误差,导致工业机器人的实际运动与理论运动学分析有所不同.为保证工业机器人的作业精准性,结合实际运动参数和理论运动学分析建立实际运动学分析,并用于工业机器人的现场校准,以满足工业应用中的机器人精度要求.实验结果表明,所提方法具有较好的校准性能,能满足校准要求,有助于提高生产效率.

基于三轴移动平台的机器人标定算法研究

为解决机器人绝对定位精度较低的问题,提出一种基于三轴位移测量平台的机器人标定装置及对应的标定算法。利用尖锥约束和三轴移动平台测量机器人末端的位置误差,提出工具手标定和基座标定算法,基于MDH参数建立机器人的运动学参数误差标定模型,以合动TA6_R3六轴协作机器人为研究对象进行实验测试。实验结果显示,经过标定和补偿后机器人绝对定位误差的最大值由1.423 mm下降到0.824 mm,证明了上述标定装置和算法的有效性。

Stewart型并联机器人的奇异对其运动精度的影响

以9-3 Stewart型并联机器人为研究对象,分析其在机构接近奇异位形时动平台运动精度的情况。通过计算并联机器人速度Jacobian矩阵的行列式得到奇异点的坐标。通过虚拟样机实验,得到动平台参考点位置反解和正解计算的相对误差。用转动Jacobian矩阵条件数的倒数来度量机构接近奇异的程度,并分析该程度与上述相对误差之间的映射关系。研究结果表明:当指标值大于7.027×10^(-5)时,正、反解的相对误差可忽略不计,这为奇异规避、路径规划等后续工作提供了理论参考。

行业北斗高精度位置服务评测研究

目前国内有多家高精度位置服务商可提供全国范围内的高精度定位服务,针对各服务商的北斗高精度定位服务能力开展了第三方评测研究,包括对各服务商的4星11频、单北斗(BDS)和单GPS服务相关性能指标的评测与比较。结果表明:参加评测的三家服务商的高精度定位服务效果相当,均能提供实时厘米级定位服务;另外,在高精度定位服务精度、固定率和收敛时间方面,单北斗与4星11频服务相当,优于单GPS服务。

3PRS并联机构的运动学和误差分析

为了提高机床的加工性能,研究机床的精度是关键,建立了一种用于大型复杂曲面零件高效铣削加工的3PRS并联摆角头的运动学模型,并进行了误差分析。该机构具有3个自由度,通过修正的K-G公式对其自由度进行了验证;进一步分析了该机构的位置正逆解;在此基础上给定结构参数误差,利用开发的程序植入Ansys计算刀尖点位姿,通过两组位姿误差的比较,为后续运动学标定和误差补偿试验做准备。

BDS基准网处理技术在大坝安全监测中的应用

为准确了解大坝安全状态,减少传统大坝安全监测受气候、环境等因素的影响,基于BDS基准网处理技术实现了大坝安全监测自动化。在BDS基准网处理中,采用双差基线解算模型,并构建大气延迟修正算法,开发了BDS基准网处理软件。通过该软件在国内某大型水利大坝开展BDS安全监测应用测试,并将测试结果与商用软件TBC+COSA进行对比。结果表明,该软件在实验区域内的监测精度与商用软件相当,基于BDS-3和BDS-2/BDS-3两种模式下的水平定位精度均能达到±1 mm,说明该软件的解算成果可靠,也充分说明基于BDS-3的基准网处理技术可满足高精度自动化大坝安全监测的要求。

并联机构的结构降耦原理及其设计方法

机构学的难题之一是寻找机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的映射规律。前期研究表明,降低机构的结构耦合度可直接降低机构运动学、动力学求解的难度,这揭示了机构拓扑结构学与运动学、动力学之间的关系之一,因此,如何降低机构的结构耦合度已成为机构拓扑结构优化的重要内容,但目前国内外研究很少。研究并联机构的结构降耦原理、设计方法及其应用。定义并联机构结构降耦的概念,澄清并揭示机构结构降耦与机构运动解耦之间的内在区别与联系。从并联机构支链本身的拓扑结构以及支链在动/静平台之间布置的拓扑结构两方面,提出保持并联机构自由度和方位特征不变而降低机构耦合度的两个结构降耦原理,据此,进一步提出了基于设计混合支链的、基于运动副复合的、基于方位特征支链主动化的三种结构降耦设计方法,并分别给出设计例子,得到相应的自由度和方位特征保持不变但耦合度降低的新机构,为其应用研究提供了优选机型。提出的机构结构降耦原理与设计方法,适用于所有的复杂平面和空间平面。

GPS/VRS卫星定位服务网络建设与精度评定

虚拟参考站技术是近几年发展起来的,集Internet、无线通讯、计算机网络和GPS于一体的卫星定位技术。成都虚拟参考站卫星定位服务系统的建设,在设计上可满足全天候地向大成都地区用户提供厘米级实时动态定位服务。为了对该系统的实际定位精度进行客观的评价,从2 0 0 4年7月开展,历时两个月,全面完成了成都虚拟参考站卫星定位服务系统的精度评定工作,结果表明:在网内,水平方向上的精度可达2 .5cm ,垂直方向上的精度为4 . 5cm ,精度分布均匀;在网外,未模型化的距离相关误差的残余逐步增大,特别是距离网络中心大于1 2 0km以上时,定位精度开始衰减,为分米级。

工业机器人定位精度标定技术的研究

机器人末端位姿的精度依赖于各关节几何参数的精度。为了提高机器人的位姿精度,本文提出了一种简单实用的机器人标定方法。通过建立运动学模型,运用激光跟踪仪对位姿进行精确测量,同时通过对D-H算法求逆运动学方程进行改进,求得几何结构参数,进行第一次标定。将第一次标定后的结果对D-H参数进行误差修正,然后应用线性方程最小二乘法对机器人进行二次标定。最后,从机器人标定前后的最大误差,算术平均误差,均方根误差3个评价指标上,验证了该标定方法提高了机器人的绝对定位精度。

一种新型并联运动振动筛及其运动学研究与研制

提出了并联运动振动筛的新概念,设计了一种新型空间二自由度并联机构,固结于该机构运动平台的筛箱能产生一个独立的铅垂运动和两个转动(其中一个为独立转动,一个为衍生转动),筛面轨迹为空间复杂曲线,适合于高效物料筛分运动;建立了该机构运动学正逆解数学模型,根据振动筛分工艺要求,设计了杆件长度,并进行了相应的三维实体运动仿真;还导出了上平台各点运动轨迹方程,用MATLAB绘出了相应的轨迹曲线,为该机构工艺参数的进一步优化设计奠定了基础;最后研制了样机。

基于拓扑结构分析的求解6-SPS并联机构位置正解的研究

建立机构拓扑结构复杂性和位置正解求解难易性的关系,提出按机构耦合度k大小来分类求解并联机构位置正解全部实数解的数值法,可使正解问题求解容易,具体内容包括:对39种不同构型的6-SPS并联机构,按6种基本机型、33种衍生机型的拓扑结构及其耦合度值分为k=0、1、2、3四类,分析得到了动平台边数、支链类型影响耦合度k值大小的规律。对不同k值的并联机构的位置正解求解指明明确的求解方向,即:对k=0的机构可容易地直接求解其解析正解;对k>0的机构,通过虚设k个SPS型支链,使之转化为k=0的虚拟并联机构,并基于杆长条件建立k个仅含一个变量的杆长相容性方程,再采用k维搜索法求出实数解。以六自由度球面Stewart机构为例,给出了求解耦合度k=1的任意6-DOF SPS并联机构位置正解全部实数解一维搜索法的具体步骤。这种基于拓扑结构分析的6-SPS并联机构位置正解求解的数值法,求解原理简单,计算量小,且具有一般意义。

基于载波相位差分的形变监测高精度定位算法

传统载波相位差分算法在形变监测领域适用性不足,实时动态定位(RTK)精度难以满足要求,而载波双差静态相对定位连续解算时形变跟踪性能较低等。针对这些问题,在对动静态算法深入研究的基础上,提出一种基于载波相位差分的动静态自适应融合算法。通过方差变化法实时判断定位结果是否收敛,自适应调节扩展卡尔曼滤波(EKF)状态先验估计过程。在收敛时刻增大位置参数的先验估计误差的协方差值,使EKF后验估计过程倾向于信赖测量值;未收敛时刻通过EKF迭代,使EKF后验估计过程倾向于信赖状态预测值。实验结果表明:相比传统RTK新算法精度有明显提高,水平达±2 mm内,高程达到±4 mm内;相比静态定位则缩减了观测周期,提高了微小形变跟踪性能。

两步误差补偿法提高工业机器人绝对定位精度

针对大部分工业机器人结构需要满足Pieper准则无法直接补偿所有运动学参数误差的问题,提出一种两步误差补偿方法。首先,基于修正的D⁃H法和微分运动学建立机器人定位误差模型,建立机器人末端绝对定位误差与运动学参数误差之间的表达式;其次,利用最小二乘法迭代求解出运动学参数误差,并将可直接补偿的运动学参数误差直接补偿到机器人D⁃H配置参数中,将剩余的其它运动学参数误差转换为关节转角补偿值进行间接补偿;最后,搭建实验平台,在川崎RS010NA六自由度工业机器人上进行两步误差补偿实验验证。实验结果表明,通过两步误差补偿后机器人末端平均绝对定位误差由5.4194 mm下降到1.1605 mm,平均绝对定位精度提高约80%,该方法有效地提高了机器人的绝对定位精度。