一种铆接机械手的运动精度可靠性分析

介绍了一种六自由度工业机器人的运动精度可靠性分析方法。通过分析一种铆接机械手的结构,基于D-H坐标法,建立运动数学模型,并考虑加工和装配过程中尺寸误差和间隙误差的随机性,将结构参数和运动变量误差视为随机变量,建立运动误差模型,结合机构运动学和可靠性理论,构建机械手运动精度可靠性模型。通过算例,验证了该方法的可行性,为该类型工业机器人的可靠性设计和结构优化提供了一定的理论参考。     

可重构机器人误差旋量建模与灵敏度分析

针对可重构机器人模块结构设计制造与构型变化引起的尺寸及几何参数等静态误差,将可重构机器人静态几何参数误差等效为机器人关节上的结构误差和传动误差,并将其看成是一种假想广义运动副微小旋量运动的结果,从而建立可重构机器人含误差旋量的运动学指数积模型。基于可重构机器人输入误差与输出误差的关系,建立了误差参数灵敏度系数模型。基于MATLAB仿真分析了可重构机器人各误差参数的灵敏度系数以及误差参数对机器人末端位置的影响规律,有利于对可重构机器人轨迹精度进一步分析和优化,以及为不同精度要求的工业机器人设计与装配提供有效的理论支持。一种6自由度可重构机器人的仿真实验验证了误差旋量建模方法以及误差参数灵敏度分析方法是有效的。     

2UPR&2RPS型冗余驱动并联机器人的运动学标定

运动学标定能够有效提高并联机器人的运动精度.以一类2UPR&2RPS型冗余驱动并联机器人为研究对象,提出了该类装置的运动学标定方法.通过将误差闭环矢量方程分别投影到运动支链的驱动方向和约束方向建立了该机器人的几何误差模型,并分离出可补偿误差源和不可补偿误差源.基于误差映射矩阵建立了误差灵敏度指标,随后通过灵敏度分析找出了对末端误差影响较大的不可补偿误差源.利用正则化算法建立了基于激光跟踪仪末端位置测量的几何误差辨识模型.标定试验结果表明,所提出的运动学标定方法是有效的.     

扩展卡尔曼滤波和配准算法的工业机器人误差补偿

针对现有工业机器人误差,特别是工业机器人末端轨迹精度低、实时监测计算复杂等问题,提出利用扩展卡尔曼滤波器和配准算法组合提高机器人末端轨迹精度的算法,解决了机器人末端精度低、控制补偿不准确等问题。建立SCARA机器人数学模型,同时建立基于扩展卡尔曼滤波和配准算法的机器人误差补偿模型,通过扩展卡尔曼滤波、配准算法进行误差补偿,实现了末端精度的提高。通过仿真验证,分析对比机械手末端轨迹补偿前后的误差,证明了算法的可靠性与准确性。     

六足爬壁机器人的运动学建模与仿真

六足机器人因其运动灵活、承载能力强和稳定性好等优点得到广泛的应用。为对六足爬壁机器人运动进行控制,首先要建立其运动学模型。因基于旋量理论的建模方法能够简化运动学计算过程的复杂性,基于旋量理论建立了六足爬壁机器人正运动学模型,并在此基础上求解机器人逆运动学。同时为了对比分析所建模型的准确性,我们在ADMAS上建立机器人虚拟样机仿真模型,并且设计步态,使虚拟样机末端执行器按照预定的轨迹运动。其次在MATLAB软件下根据建立的逆运动学模型求解机器人末端执行器按预定轨迹运动时各关节转动角度。通过对比两个模型各关节转动角度随时间变化的曲线,以及各关节角度误差和末端位移误差来验证建立的机器人运动学模型的正确性。研究结果表明,基于旋量理论建立的六足爬壁机器人的运动学模型精度高,能够作为多足机器人研究的基础。     

面向牙刷操作的Delta机器人设计与轨迹规划研究

结合牙刷自动化生产的需求,研究面向牙刷高速拾放操作的Delta机器人。简化Delta机器人的结构模型,研究机器人正运动学和逆运动学求解方法。分析牙刷上料的工作流程,确定机器人结构参数,设计机器人本体结构以及末端执行器。采用弧线过渡的门字形轨迹,基于3-4-5次多项式运动规律对机器人进行轨迹规划,利用ADAMS软件进行动力学仿真。结果表明,机器人末端的速度、加速度曲线连续,主动臂驱动力矩曲线连续无突变,满足牙刷生产中高速拾放操作的性能要求。     

基于SAMCEF的四自由度并联机器人动力学建模与仿真

利用SAMCEF软件进行了Cross-IV四自由度并联机器人的建模与仿真。首先,利用SolidWorks模型建立了机器人的三维实体模型,并通过运动学逆解模型计算得到驱动轴转角参数。然后,利用SAMCEF软件建立了机器人的多刚体动力学模型和刚柔混合动力学模型,并进行了仿真分析,研究机器人在实际运动过程中杆件的弹性变形对末端轨迹精度的影响,从而预估机器人的动态特性。     

钢丝绳传动机器人运动学的回路分析方法

研究分析了一类2N条钢丝绳驱动N个自由度机器人的运动学,其运动学分析可通过推导除去钢丝绳后的开环链机器人关节角位移与末端执行器之间的运动学模型和关节角位移与电机转子角位移之间的运动学模型两个步骤完成。在运动学分析的基础上,提出了用回路矩阵和等效半径矩阵描述钢丝绳传动机器人运动学的回路分析方法。根据钢丝绳传动原理,通过观察法可直接列写回路矩阵和电机驱动空间等效半径矩阵,从而得到电机转子角位移与关节角位移之间的映射关系模型,解耦了由于钢丝绳传动导致机器人关节之间的运动耦合。实现了电机驱动空间、关节空间和笛卡尔空间之间完整的运动学映射,加快和简化了钢丝绳传动机器人运动学的建模和分析过程。最后,以Utah/MIT手指为例进行了运动学分析,比较Matlab运算和Solidworks Motion仿真的末端运动轨迹,验证了回路分析方法的正确性。     

基于改进粒子群算法的并联机器人运动学精度提高新方法

针对并联机器人在基于给定工作任务进行轨迹规划过程中,存在因机构误差引起的期望轨迹与理想轨迹之间的偏差,由此造成并联机器人运动学精度降低的问题,提出了一种并联机器人运动学精度提高新方法。首先将连续工作任务离散化为满足精度要求的若干理想位姿点,在建立并联机器人位姿误差模型基础上,将机构误差项转化为驱动杆误差;基于种群排列熵模型和粒子速度激活机制改进了粒子群算法,并利用改进的粒子群算法组合优化驱动杆参数,补偿并联机器人位姿误差,进而修正期望轨迹以提高并联机器人运动学精度。通过MATLAB和ADAMS仿真验证了所提出方法的可行性和有效性。     

3-RSS同轴驱动布局并联机构的打磨机器人设计与运动分析

针对目前串联型打磨机器人在打磨球面时存在刚度不足的问题,提出一种3-RSS同轴驱动布局并联机构工具型打磨机器人.同轴驱动布局是将驱动布置在同一轴线,主体由基柱和3组可以绕基柱旋转的机械臂构成,每个机械臂外接支链杆簇,3组支链杆簇与末端打磨头相连.通过构型分析、结构设计,建立同轴驱动布局打磨机器人模型,并对模型进行运动学分析,通过雅可矩阵分析奇异位置,获得打磨机器人的灵活工作空间;经过运动仿真,对比预设路径与仿真轨迹,进行运动误差分析,验证了驱动方案的可行性.研究结果为并联机构打磨机器人拓展工作空间、提高刚度提供了理论与技术支持.     

Motion error compensation of multi-legged walking robots

Existing errors in the structure and kinematic parameters of multi-legged walking robots,the motion trajectory of robot will diverge from the ideal sports requirements in movement.Since the existing error compensation is usually used for control compensation of manipulator arm,the error compensation of multi-legged robots has seldom been explored.In order to reduce the kinematic error of robots,a motion error compensation method based on the feedforward for multi-legged mobile robots is proposed to improve motion precision of a mobile robot.The locus error of a robot body is measured,when robot moves along a given track.Error of driven joint variables is obtained by error calculation model in terms of the locus error of robot body.Error value is used to compensate driven joint variables and modify control model of robot,which can drive the robots following control model modified.The model of the relation between robot’s locus errors and kinematic variables errors is set up to achieve the kinematic error compensation.On the basis of the inverse kinematics of a multi-legged walking robot,the relation between error of the motion trajectory and driven joint variables of robots is discussed.Moreover,the equation set is obtained,which expresses relation among error of driven joint variables,structure parameters and error of robot’s locus.Take MiniQuad as an example,when the robot MiniQuad moves following beeline tread,motion error compensation is studied.The actual locus errors of the robot body are measured before and after compensation in the test.According to the test,variations of the actual coordinate value of the robot centroid in x-direction and z-direction are reduced more than one time.The kinematic errors of robot body are reduced effectively by the use of the motion error compensation method based on the feedforward.     

基于标定和关节空间插值的工业机器人轨迹误差补偿

轨迹精度是工业机器人重要的动态性能,目前工业机器人的轨迹精度远低于定位精度,提出一种基于机器人运动学标定和关节空间插值误差补偿的方法来提高机器人轨迹精度。基于MD-H方法建立机器人的运动学模型,在此基础上运用机器人微分运动学理论建立末端位置误差模型和轨迹误差模型。为克服最小二乘法等传统方法在数据噪声较大且不符合高斯分布时收敛慢甚至发散的问题,提出一种基于扩展卡尔曼滤波算法的机器人运动学参数辨识方法,实现运动学参数辨识的快速收敛。经过分析发现机器人误差在关节空间具有连续性的特点,为此提出一种关节空间插值误差补偿方法,建立网格形式的误差补偿数据库,并利用关节空间距离权重函数和已知的网格顶点误差计算各控制点的关节转角误差。通过试验对所提出的参数辨识和关节空间误差补偿方法进行了验证,试验结果表明：经过运动学参数辨识和补偿后机器人的绝对定位精度由1.039 mm提高到0.226 mm,轨迹精度由2.532 mm提高到1.873 mm,应用关节空间插值误差补偿后机器人的轨迹精度进一步提高到1.464 mm。     

工业机器人喷涂运动学仿真研究

为了提高工业机器人设计分析效率,降低昂贵的机器人开发成本,利用虚拟样机技术对机器人进行了运动学仿真,提出了机器人的轨迹规划。根据HA006型工业机器人的结构特点,建立了基于D—H连杆坐标系的机器人运动学模型,利用MATLAB软件的机器人工具箱构建机器人对象,求解机器人基于关节坐标和直角坐标的轨迹规划,并通过SolidWorks软件进行连续路径喷涂轨迹规划的运动学仿真与分析,较为直观地观察机器人工作姿态和运动轨迹,得到机器人运动性能的实时状况。试验结果表明,该方法可以清楚地判定机器人运动方案的合理性及轨迹规划及控制算法的可行性,有效地提高了工业机器人的设计效率。     

大范围平动并联机器人运动学解耦与速度自适应规划

并联机器人是一种多支链、多关节、强耦合非线性系统,具有高速、高刚度和大负载等明显优势而被广泛应用到工业领域。然而,随着关节数量的增加导致该类机器人运动学解耦和高精度平稳控制的难度较大。为实现大范围平动3-RRRU并联机器人自动化轨迹跟踪和控制的平稳性,针对运动学解耦和速度自适应规划方法展开了系统、深入地研究。首先,应用DH法建立了机器人运动学模型,基于结构约束条件完成运动学解耦计算,并在S型控制策略中加入速度自适应修正机制,依据不同轨迹可自动计算并修正最大速度参数,实现自适应优化;其次,采用激光跟踪仪对机器人轨迹进行动态跟踪,对比分析了S型速度和梯型速度控制策略下的跟踪精度,梯型速度规划下其最大误差高达4.513 mm,是S型控制策略的3倍,且位置误差曲线出现多个尖峰值,说明因速度突变导致运动平稳性较差;最后,测试S型速度规划下采用自适应修正机制前、后机器人的平稳性以及轨迹跟踪精度。实验结果表明:当规划路径难以实现机器人加速到原预设最大速度时,在轨迹末端存在较大的惯性速度,产生位置尖峰误差为2.676 mm,是修正后最大误差的2.4倍,且伴随着明显的冲击效应。引入自适应修正机制后圆轨迹的起点和终点位置误差分别为0.722 mm和0.382 mm,二者相对位置偏差仅为0.34 mm,且末端定位误差相比修正前降低了一个数量级,有效解决了机器人存在惯性冲击效应的难题,大幅提高了机器人整体轨迹跟踪的精度和控制的平稳性。     

一种协作机器人位姿重复性优化综合

在给定位姿重复性要求的前提下,寻找各关节随机运动精度的最优分配方案能够使协作机器人设计更加合理,对降低机器人制造成本有重要意义。首先,在机器人位姿重复性分析的基础上,建立了位姿重复性数学模型,该数学模型包含机器人位置重复性和姿态重复性;其次,以协作机器人KUKA iiwa 7为例,以关节运动误差最大化为优化目标,对该机器人位姿重复性进行优化综合,获得各关节随机运动精度的最优分配方案;最后,对KUKA iiwa 7机器人进行位姿重复性实验,结果验证了该方法的正确性,基于该方法的精度设计结果能够使协作机器人设计更加合理。     

模块化柔性臂空间机器人运动误差分析

建立了一种模块化柔性臂机器人的综合误差分析模型，首次将以传递运动为主的减速器所产生的运动误差及因柔性臂弹性变形而产生的误差有机融合在一起。讨论了减小误差、提高机器人末端定位精度的方法。     

Design of a Two-Step Calibration Method of Kinematic Parameters for Serial Robots

Serial robots are used to handle workpieces with large dimensions, and calibrating kinematic parameters is one of the most efficient ways to upgrade their accuracy. Many models are set up to investigate how many kinematic parameters can be identified to meet the minimal principle,but the base frame and the kinematic parameter are indistinctly calibrated in a one-step way. A two-step method of calibrating kinematic parameters is proposed to improve the accuracy of the robot's base frame and kinematic parameters.The forward kinematics described with respect to the measuring coordinate frame are established based on the productof-exponential(POE) formula. In the first step the robot's base coordinate frame is calibrated by the unit quaternion form. The errors of both the robot's reference configuration and the base coordinate frame's pose are equivalently transformed to the zero-position errors of the robot's joints. The simplified model of the robot's positioning error is established in second-power explicit expressions. Then the identification model is finished by the least square method, requiring measuring position coordinates only. The complete subtasks of calibrating the robot's 39 kinematic parameters are finished in the second step. It's proved by a group of calibration experiments that by the proposed two-step calibration method the average absolute accuracy of industrial robots is updated to 0.23 mm. This paper presents that the robot's base frame should be calibrated before its kinematic parameters in order to upgrade its absolute positioning accuracy.     

6-DOF工业机器人逆解优化及其工作空间的研究

为实现6-DOF工业机器人的精确控制,对其运动学逆解进行了分析以及工作空间予以仿真研究。据D-H法建立机器人运动学模型,得出正逆解,并提出了基于最短行程原则的运动学逆解优化方法,确保机器人系统取得合适的逆解。最后基于Matlab的数值解法对工业机器人的工作空间进行求解并进行了仿真,结果切实有效。     

A novel arc-spraying robot for rapid tooling

In order to reduce the process uncertainty and the labor intensity in manual metal arc spraying for rapid tooling, this paper presents a robot wrist design and a robot motion control method based on the cross-sectional contours and related surface normal vectors extracted from STL model, a de facto standard for representing a 3D part geometry in rapid prototyping (RP) industry. A computer controlled five-axis robot for the rapid tooling was built by using the wrist, which drives the spraying gun. The wrist comprises a linkage that can maintain the working position of the gun while changing its spraying orientation freely. Such a design ensures that adjusting the gun along the normal of the master surface to satisfy the process requirement will not result in any position change of the spraying point. A kinematic analysis on the wrist indicates this kinematic decoupling between the positioning mechanism and the orientating mechanism. The working trajectory of the gun is generated off-line by slicing the STL model of the master pattern. To bypass the need for any teaching or NC programming, the arc-spraying robot can carry out the tooling process automatically and efficiently fully based on the sliced data of the master pattern. In addition, a case study on the production of automobile body panel dies using this robotic tooling system is introduced.