面向柔顺装配装夹的机器人手腕变刚度机理研究

在柔顺装配装夹过程中,不同工序对机器人手腕刚度要求不同。在刚性定位工序中,大的手腕刚度可保证机器人搬运工件定位到作业位置的精度。在装配装夹工序中,小的手腕刚度可柔顺补偿机器人装配装夹工件的位姿误差。提出了一种大范围变刚度的五自由度手腕,可实现工件的翻转、俯仰、偏转和平移。研究通过调节弹性张力改变手腕刚度的机理,实现手腕关节刚度随弹性张力的增加而线性增加。分析手腕弹性张力和几何参数对手腕变刚度特性和刚度分布的影响,通过设计手腕关节的几何参数实现手腕刚度分布保持不变。研究变刚度手腕刚性定位与柔顺装配装夹的机理,建立手腕装配装夹过程中的形变位姿模型和补偿工件位姿误差的空间模型,得到手腕刚度随手腕位姿的变化模型,实现手腕克服阻力完成装配装夹作业。实验结果表明机器人手腕可大范围变刚度,满足刚性定位与柔顺装配装夹要求。     

基于ICP的磁流变抛光方形工件精准定位方法

为解决磁流变抛光中的定位关键问题,提高磁流变抛光的工件装夹效率与定位精度,结合迭代最近点(ICP)算法,提出适用于方形平面工件的三面测点位姿精确定位方法。通过仿真计算,验证了该方法的定位误差小于0. 5μm,具有理论可行性;通过位姿求解及定位误差验证实验,验证了该方法在实际工况下的Z向定位误差小于10μm,具有实际应用可行性。     

基于共面直线迭代加权最小二乘的相机位姿估计

针对相机内参数已标定和未标定情况下的相机位姿求解,提出了基于共面直线迭代加权最小二乘的相机位姿估计算法。推导了关于相机焦距和位姿参数的线性方程,通过4条以上共面直线实现了相机位姿参数的线性解算;对参数线性解进行迭代加权最小二乘优化,得到更高精度的参数估计值和直线权值;最后,利用直线权值和欧式变换的保距性实现相机焦距的解算,得到了相机焦距和位姿参数的估计值。仿真实验表明:提出的算法在相机已标定,直线数为20,像点噪声方差为5pixel的情况下,角度误差小于0.2°,相对平移向量误差小于0.5%,耗时大约为1ms。真实数据实验表明,提出的算法可以获得与棋盘标定结果相近的精度。与现有算法相比,提出的算法抗噪性更好,精度更高,能够实现基于单幅图像的未标定相机的位姿估计。     

船用螺旋桨混联加工装置结构参数标定方法

为实现大型船用螺旋桨的高精度、高效加工,提出了基于混联机构的双刀对称加工方案。介绍了加工装置的机构组成,对影响加工精度的结构参数的标定方法进行了研究。针对装置运动存在耦合的特点,将装置的串联机构与并联机构进行分离标定,建立串联机构与并联机构的结构误差模型,对两种结构参数的辨识方法进行研究,并采用LevenbergMarquardt优化算法对非线性方程组进行求解,获取结构参数的修正值。最后在ADAMS中构建含有结构参数误差的装置模型,实现各种加工运动模拟,采集刀具的各种位姿误差,利用加工装置标定方法对装置的结构参数进行修正,验证了误差模型建立与参数辨识方法的准确性,证明了该标定方法的正确性与有效性。     

一种并联机器人误差综合补偿方法

针对并联机器人轨迹规划和轨迹跟踪过程中,同时存在机构误差引起的期望轨迹与理想轨迹之间的偏差和非线性摩擦、负载变化等扰动因素引起的动态误差,提出一种并联机器人误差综合补偿方法:在轨迹规划过程中,基于并联机器人位姿误差模型将位姿误差补偿转化为驱动杆参数组合优化问题,进而利用粒子群算法寻优驱动杆参数,修正并联机器人期望轨迹;在轨迹跟踪过程中,设计基于自适应迭代学习控制算法的动态误差补偿策略,实现对期望轨迹的有效跟踪。在Stewart平台下基于ADAMS和Matlab进行仿真试验,在轨迹规划和轨迹跟踪过程中,分别修正期望轨迹偏差并补偿轨迹跟踪动态误差,实现并联机器人误差综合补偿。进一步,基于混联机床进行工件加工试验,验证方法对于提高并联机器人工作精度的有效性。     

基于HALCON的单目视觉工件位姿测量方法研究

为了满足单目视觉系统对被测工件三维位姿参数测量及机器人实时快速响应要求,提出一种通过单目视觉获取规格已知、位置随机工件三维参数的方法。利用HALCON图像处理软件对机器人和工业相机进行系统标定,通过标定参数进行采集图像预处理、点特征坐标提取,引入约束条件建立三维位姿算法几何模型,完成上位机图像采集与数据处理,并实时将数据通过以太网传送至机器人,实现工件抓取。试验表明,这一方法误差范围达到了工业机器人操作的预期要求。     

机器人加工几何误差建模研究:Ⅱ参数辨识与位姿优化

根据所构建的空间运动链,机器人加工几何误差一方面与手眼/工件/工具位姿参数辨识误差有关,另一方面与机器人关节运动学误差与弱刚度变形有关.针对这一问题,研究基于运动学误差补偿的手眼位姿参数辨识、考虑测量缺陷影响的工件位姿参数辨识、基于实际加工曲面误差估计的工具位姿参数辨识等新方法,解决位姿参数辨识精度受限于机器人运动精度、现场测点不封闭/密度不均/高斯噪音、加工抖动/受力变形/回转轴误差等多种因素影响的问题;综合考虑关节运动学误差、弱刚度变形、误差补偿,以整体误差控制为目标,建立加工误差补偿与机器人位姿优化通用模型,可推广应用于法向深度(磨削/铣削)、切向滑移(制孔)、角度倾斜(切边)等多种机器人加工误差控制;完成手眼/工件/工具位姿参数辨识试验、整体误差补偿与机器人加工试验,验证所提方法的有效性.     

基于片层体积无损测量装置装夹系统

研究了在基于片层体积测量的3维无损测量装置中,装夹系统总体设计、各零部件选型及设计,以及装夹系统的误差分析和补偿。根据装夹系统的功能需求,采用分层设计理念,设计能实现X、Y、Z轴方向以及6个对角线方向测量的装夹装置。同时对装夹系统进行误差分析,可知当装夹装置随着被测物体逐层浸入液体中时,由于测量液体的浮力,装夹装置中的连接杆会发生向上的回弹变形,从而影响片层液体的测量精度。通过理论推导回弹误差补偿公式,实现对被测物体的分层误差补偿。经误差实验验证,误差补偿后的片层误差均值由0.256 3 cm~3优化到0.006 3 cm~3,误差补偿效果明显。     

装夹力导致的加工误差仿真

研究了一种装夹力作用下工件加工误差的仿真算法：首先采用有限元方法计算工件装夹变形，然后通过基于网格的映射方法计算装夹力释放后工件加工面的回弹变形，最后应用误差分析技术得到加工误差。典型工件的试验验证表明，算法是有效可行的。     

机械臂全工作空间域非参数约束位姿误差估算

针对机械臂全工作空间域位姿误差估算,提出了非参数化约束的运动学误差综合解算与动态估算方法。基于误差等效微分变量和多关节运动的连杆坐标系误差等效微分变换,构建了机械臂运动学动态非参数化约束的位姿误差模型。将多因素产生末端位姿误差归结为与关节转角变量有关的周期性动态函数变化,实现了机械臂综合误差的动态函数化描述。根据多连杆坐标系关节运动耦合规律,设计了多关节运动空间坐标系位姿在线解耦变换与补偿算法。全工作空间域验证实验中,误差估算值与测量值之间的位置坐标的最大绝对值偏差小于0.01 mm,姿态角的最大绝对值偏差小于0.03°。实验结果表明,该方法可提高机械臂全工作空间域位姿误差估算的精度与可靠性。     

机器人加工几何误差建模研究:Ⅰ空间运动链与误差传递

以机器人作为制造装备执行体,集成视觉等智能传感器,实现大型复杂零件小余量磨削/铣削/切边/制孔是智能制造的前沿研究方向之一,目前加工误差难以降低是制约其应用的主要难题.以加工误差降低为主要目标,以机器人、视觉传感器、工件、工具为主要对象,研究视觉引导的机器人加工几何误差建模与精度控制,具体包括:在第Ⅰ部分介绍几何误差建模与参数辨识国内外研究现状,研究机器人加工空间运动链与加工误差度量指标定义,推导静态误差(源于工件/工具位姿误差)定量传递模型与动态误差(源于关节运动学误差/关节弱刚度)定量传递模型;在第Ⅱ部分建立手眼位姿参数、工件位姿参数、工具位姿参数等精确辨识的目标函数与计算方法,在考虑关节运动学误差和弱刚度变形的情况下,提出面向整体误差控制的机器人加工(磨削/铣削/切边/制孔等)位姿优化通用模型.     

机器人装配系统的精度分析

分析了机器人装配系统中引起装配件和装配基础件相对位姿误差的主要误差来源,即机器人运动参数误差、各关节的间隙和制造误差、工件传递装置的定位误差、夹具夹爪的定位误差等;并推导出了以上各误差对装配件和装配基础件间相对位姿误差的影响关系式,为机器人自动化装配系统的设计提供了理论依据。     

基于柔性浮动支承的对接装配装置的设计

提出了一种基于柔性浮动支承设计对接装配装置的新方法，该对接装配装置可方便灵活地对工件的空间位姿进行调节，并实现对接装配的自适应。     

装夹方案评价技术研究

装夹方案设计是现代产品设计生产过程中的一个重要环节。由于方案设计质量将直接影响到零件加工精度和效率,需要对装夹方案定位精度及装夹变形情况进行快速评价。在研究工件装夹方案校验算法的基础上,建立了定位误差评价数学模型,通过程序实现了装夹方案定位误差快速评价。以工件加工位置处的轮廓法向误差作为统一评价指标,同时对装夹方案造成的工件定位误差和夹紧误差进行评价。能够提高装夹方案设计效率,缩短工装准备时间,在一定程度上提升了装夹方案设计质量。     

基于运动学的质量特性测量误差补偿方法的研究

针对某大尺寸飞行器质量特性测量设备,利用运动学原理对测量结果进行误差补偿,提高其测量精度。根据D-H模型建立机械结构的运动学方程,分析机械结构的几何参数误差对测量结果的影响。在标定几何参数时,对一些能够精准测量得到的参数,忽略其微变化量,在简化标定方程的同时,方便了参数误差的解算。为提高标定效率,利用粒子群(Particle swarm optimization,PSO)算法对标定位姿进行寻优,分析并建立标定姿态与观测指标函数之间的关系,确定当观测指标函数取最大值时对应最优的标定姿态。标定试验结果表明,利用最优标定位姿进行标定可以快速而准确地得到几何参数的误差,进而得到测量位姿误差。分别在补偿位姿误差和未补偿位姿误差的情况下测量标准件的质量特性,测量结果表明补偿后的质心的最大误差减小为原来的10%左右,转动惯量和惯性积的最大误差分别减小为原来的50%和20%。     

利用双差压式节流装置测量湿气

为实现湿气气液两相的在线不分离测量,提出一种由内锥和文丘里组合构成的新型双差压式湿气测量装置,并进行了实验研究。针对内锥及文丘里湿气虚高值的特点,建立了基于Lockhart-Martinelli参数、Froude数、气液密度比的内锥高精度虚高模型;建立了文丘里Deleeuw修正模型,实现了对n值的高精度拟合。通过对内锥和文丘里管在湿气测量中气液两相精度的对比分析,建立了湿气气液两相测量的迭代修正算法。实验结果表明,对于压力P为0.1～0.2MPa,气相弗劳德数0.6～1.5,L-M参数0.002～0.12,质量含气率在30%～99%范围内,气相流量测量的平均相对误差优于±1%,液相流量测量的满度误差小于±10%。     

基于测量头技术的去毛刺机器人系统设计

为解决铝铸件生产线上去毛刺机器人加工时需要人工对顶尖定位的问题,提出了使用测量头搜索定位工件位姿的去毛刺加工系统,阐述了测量头检测定位的流程、工件位姿检测的数学模型、工件位姿修正等的实现方法,并经实验验证该系统可行有效。     

基于激光位移传感器的角焊缝位姿检测

针对工字梁、箱梁等焊接结构自动化生产中工件偏移和偏转问题,提出了一种基于激光位移传感器的角焊缝位姿检测方法。建立了角焊缝位姿的弧长模型,分析了角焊缝位姿对弧长的影响规律;基于傅里叶分析,提出了角焊缝位姿解耦算法,实现了对角焊缝横向偏差、纵向偏差、坡口角度和工件偏转角度的检测;通过对存在坡口间隙和定位焊缝的角焊缝进行位姿检测试验。结果表明,所提出方法具有检测误差小、抗干扰能力强等优点,在焊接自动化生产中具有良好的应用前景。     

时序分析在电主轴热误差建模中的应用

针对电主轴热误差基于三点法测量和建模中忽略径向热倾角误差的问题,采用五点法对主轴热误差进行测量,建立基于时序分析的热误差自回归滑动平均混合模型ARIMA。通过引用单位根检验算法实现对热误差序列的平稳性判定,运用自相关/偏自相关函数完成模型的高效识别;利用信息准则解决热误差模型的定阶问题,结合Yule-Walker方程实现自回归参数以及滑动平均参数的求解,从而提高了模型的预测精度及泛化能力,设定了模型的预测优度评价标准。电主轴热误差模型蕴含轴向伸长及径向热倾角,更符合实际,模型可更准确地描述主轴热误差空间位姿状态。通过电主轴热误差建模的应用实例,验证了所提测量及建模方法的有效性。     

铣削加工表面形貌预测方法研究

在考虑了刀具和工件在切削力作用下的振动、刀具的安装误差和工件的装夹误差对刀具相对工件位姿的影响下,通过加工几何运动学建立刀刃点在加工特征点活动标架下的数学模型。根据局部活动标架特征,将铣削表面残高求解问题转化为求解非线性规划问题,通过求解非线性规划问题来预测铣削加工表面微观几何形貌及粗糙度,为合理选择工艺参数提供科学的依据。仿真试验和加工试验验证了所提出的方法的正确性和有效性。