基于卡尔曼滤波数据融合的并联机床动态定位方法

针对并联机床动平台上主轴动态定位问题,将惯性传感技术运用于并联机床动平台的位姿测量,提出一种基于卡尔曼滤波(Kalman filtering,KF)数据融合的并联机床动态定位新方法。该方法融合动态惯性测量数据和机床各腿(支架)的编码器信息,通过KF算法补偿动态测量误差和计算误差,从而实现并联机床动平台位姿(位置和方向)的精确定位。详细介绍KF算法中惯性系统模型和外部测量模型的建立过程,以及测量变量与状态变量间的关系矩阵的推导过程。最后,进行一个单方向运动动态测量的简化试验,对并联机床动平台的6自由度位姿测量进行仿真研究,初步证实了该位姿算法的有效性。     

一种五轴并联机床的机构参数分步辨识方法

以五轴并联机床为研究对象,基于量子粒子群优化算法,对少自由度并联机床的机构参数辨识问题进行了研究。根据五轴并联机床的结构特点,对运动末端的测量位姿进行优化选取。将并联机构参数辨识问题转化为非线性系统的最优化问题,利用量子粒子群优化算法的全局搜索能力设计一种分步辨识方法对机构参数进行优化、辨识。仿真结果显示,基于量子粒子群优化算法的分步辨识方法能够比较准确地辨识机构参数的真实值。该分步辨识方法同样适用于其他少自由度并联机器人的机构参数辨识。     

基于视觉测量的XY-Theta并联平台分步运动学标定

针对一种用于丝网印刷的平面3自由度(Three-degree-of-freedom,3-DOF)并联平台,提出一种基于视觉测量的分步递进的运动学标定方法,解决这类特殊平面并联平台的运动学标定问题。结合矢量法和解析法,建立终端位置和姿态误差与几何误差之间的映射关系,得到误差雅可比矩阵。兼顾测量成本和实用性,搭建双相机全位姿视觉测量系统,通过高精度光刻玻璃进行标定。基于精密视觉测量,对并联平台的重复定位精度进行评估,在此基础上,设计一种分步递进的误差测量、参数辨识、误差补偿试验方案。标定后,终端最大位置误差从标定前的316μm下降至9μm,最大姿态误差从标定前的3.5×10–3°降至1.7×10–3°,该试验结果表明并联平台的终端定位精度得到了显著改善,验证了分步递进的运动标定方法的有效性。     

一种少自由度并联机构静刚度研究

并联机构,尤其是用于机加工的并联机床都需要很高的刚度要求,因此建立其刚度模型就显得尤为重要。现有的刚度建模方法多是基于集中刚度模型,但是该方法的物理意义不够明确。基于螺旋理论建立了一种少自由度并联机构的刚度模型,该方法将驱动刚度和约束刚度区别对待,物理意义明确。通过计算并联机构空间自由度,并利用螺旋方程的反螺旋解法,得出并联机构的运动雅可比矩阵和约束雅可比矩阵,经组合得到少自由度并联机构的完全雅可比矩阵,从而建立了其静刚度模型。建立的静刚度模型可以作为少自由度并联机构的性能评价指标,同时又可以为分析其他过约束的少自由度并联机构提供理论支持。     

4自由度并联机器人刚度分析

少自由度并联机构应用于机床上时要求具有很高的刚度,而少自由度并联机器人的刚度和机器人雅可比矩阵有很密切的关系。采用螺旋理论方法求出了4-RUC 4自由度并联机构的雅可比矩阵,推导出4自由度并联机器人的刚度计算公式和条件指数计算公式,分析了少自由度并联机器人在某一位置时(z=0)最大和最小刚度所在的方向,给出了这种4自由度并联机器人的最大和最小刚度曲线,通过曲线可以评价出此并联机构在各个方向上刚度大小,为这种机器人的应用和开发提供了有力的依据。     

基于球杆仪检测信息的并联机构运动学标定

由于并联构型装备难于实现全闭环反馈控制,使运动学标定成为一项具有显著经济价值并能非常有效提高并联构型装备精度的手段,运动学标定通常包括误差建模、测量、辨识和补偿4个环节。基于以上因素,以5自由度混联机械手TriVariant为对象,研究一种基于球杆仪检测信息的运动学标定方法。首先建立球杆仪测量值与影响末端可补偿位姿误差的几何误差源的映射关系,并给出可辨识条件。在此基础上,以误差参数辨识矩阵条件数为评价指标,探讨合理设置球杆仪安装位置和数目的方法。最后,计算机仿真和试验验证了所提出方法的可行性和有效性,并指出仍然需要解决的若干问题。     

一种新的并联机器人精度标定算法

提出了一种新的并联机器人精度标定算法,较之于传统的借助与激光跟踪仪的测量标定方法,该标定算法只需测量获得z轴方向的单项位置误差,即可进行参数误差识别,忽略了用激光跟踪仪测量时,安装靶球带来的制造、装配误差,能有效地提高并联机器人的标定精度。对该算法进行了推导以及Matlab仿真实验。     

基于遗传算法的3-PRS并联机床的运动学标定分析研究

针对并联机床运动中存在偏差的问题,提出了基于结构参数和遗传算法的逆向运动学标定方法,推导出了并联机床误差标定的模型。该方法不需要求并联主轴平台的正向解,避免了并联机构相对复杂的正向运动分析问题。计算表明:利用名义机床结构参数计算的逆向运动误差明显大于标定的结构参数得到的逆向运动误差;标定后的三个圆柱铰和球铰的位置更接近于名义位置,说明误差标定可以对机床结构进行校正。     

基于6-TPS型并联机床的标定方法研究

以6-TPS型并联机床为对象,研究了并联机床运动学标定方法。首先假定了并联机床各结构参数单位误差,在与测量方式相一致的广义坐标上,通过并联机床正解的方式,利用所测的点数据,以数值法构造了机床末端位姿误差与结构误差的影响系数矩阵。通过这种方法,构造参数误差数学辨识模型,针对6-TPS型并联机床的特点,提出了测量并联机床平动和聚点性误差的方案,并在工程实际应用中验证了该标定方法的可行性。     

基于遗传算法的运动学误差标定

为了提高空间对接试验平台的对接精度,对其进行了误差分析及标定研究。在并联机构运动学正解和逆解的基础上,利用全微分法推导出了并联六自由度机构的运动学误差标定模型。为了更加有效地对各个误差源进行误差辨识,提出了一种基于遗传算法以矩阵条件数为优化目标、对并联机构的标定测量点进行优化筛选的方法,以降低测量噪声对标定结果的影响。当采用较少的测量数据时,仍然能够取得较好的标定效果,具有较好的抗干扰能力。最后,利用数值仿真算例验证了该方法的有效性。     

Calibration of parallel kinematic machine tools using mobility constraint on the tool center point

In the application of parallel kinematic machine tools (PKM), because of errors in the geometric parameters, it is necessary to calibrate the PKM to improve the positioning accuracy. In existing self-calibration methods, either some redundant sensors on passive joints or some mobility constraints on the kinematic chains are used. However, the mobility constraints imposed on kinematic chains might apply large forces during the test on legs and passive joints. Also, these kinds of calibrating are applicable only on PKMs in which their actuated joints can be used as passive joints. To overcome weaknesses of existing methods, a novel approach to calibration based on imposing position constraints on the tool center point (TCP) is introduced. In this method, only the data of encoders installed on the actuated joints in some sets of configurations are required. In each set, the position of the TCP is fixed, but orientations of the tool are different. Simulations and experimental studies on a Hexaglide PKM built in Sharif University of Technology reveal the convenience and effectiveness of the proposed robot calibration method.     

卫星光学仪器辐射交互定标方法的应用和发展

卫星遥感器的在轨交互定标是保证仪器数据记录的可靠性、连续性和一致性的核心方案,配合高精度的在轨参考基准仪器可使定标精度达到2%左右。本文介绍了交互定标技术的相关概念和意义,强调该技术是修正仪器间辐射定标相对偏差的重要手段。指出了交互定标的前提条件及现存难点。总结了交互定标实现流程,包括数据收集、匹配、筛选、处理,基准确定,精度分析等,分析了影响交互定标精度的各种因素。叙述了当前卫星光学遥感器交互定标的各类方法及其使用条件,总结了不同应用条件下所适用的各交互定标方法的定标精度。最后结合当前交互定标的国际合作活动,分析展望了未来光学遥感器在轨可溯源SI定标方法的前景趋势和难点问题。     

Improved Stiffness Modeling for An Exechon-Like Parallel Kinematic Machine(PKM) and Its Application

Hole drilling or contour milling for the large and complex workpieces such as automobile panels and aircraft fuselages makes a high combined demand on machining accuracy, stiffness and workspace of machining equipment. Therefore, a 5-DOF(degrees of freedom) parallel kinematic machine(PKM) with redundant constraints is proposed. Based on the kinematics analysis of the parallel mechanism using intermediate variables, the kinematics problems of the PKM are solved through equivalent kinematics model. The structural stiffness matrix method is adopted to model the stiffness of the parallel mechanism of the PKM, where the stiffness of each joint and branch component is obtained by stiffness formula and finite element analysis. And the stiffness model of the parallel mechanism is improved by correction coefficient matrix, each element of which is constructed as a polynomial function of three independent end variables of the parallel mechanism. The terminal stiffness matrices obtained by simulation result are used to determine the coefficients of polynomial function by least square fitting to describe the correction coefficient over the workspace of the parallel mechanism quantitatively. The experiment results prove that the modification method can greatly improve the stiffness model of the parallel mechanism. To enhance the machining accuracy of the PKM, the proposed kinematics model and the improved stiffness model are utilized to optimize the working stiffness of parallel machine by searching the best relative position of parallel machine and workpiece. A plate workpiece taken as example is examined in the case study section, which demonstrates the effectiveness of optimization method.     

Study on optimal calibration configurations of a parallel type machining center under a single planar constraint

This paper examines the parameter observability of a calibration system that consrains a mobile platform to a planar table to take the calibration data. To improve the parameter observability, we find the optimal configurations providing the calibration with maximum contribution. The QR-decomposition is used to compute the optimal configurations that maximize the linear independence of rows of an observation matrix. The calibration system is applied to the parallel type manipulator constructed for a machining center. The calibration results show that all the necessary kinematic parameters assigned in a Stewart-Gough platform are identifiable and convergent to desirable accuracy.     

基于二阶锥规划无标定参照物的手眼标定

为了克服传统机器人手眼标定方法求解手眼关系及机器人坐标系与世界坐标系方位关系对标定参照物的依赖,提出一种基于二阶锥规划的无标定参照物手眼标定改进方法,并搭建相关实验系统进行验证。首先,利用运动恢复结构算法解算定义在一个尺度因子基础上的相机运动矩阵;然后,引入对偶四元数理论参数化标定方程中的旋转矩阵和平移向量;最后,通过二阶锥规划方法同时求解相机运动矩阵尺度因子、手眼关系及机器人坐标系与世界坐标系方位关系的最优解。仿真和实测结果表明,在没有标定参照物作为测量基准的情况下,标定结果中旋转参数相对误差为3.998%,平移参数相对误差为0.117%。与其他标定方法相比,该方法提高了无标定参照物模式下机器人手眼标定精度,扩展了手眼标定方法的应用范围。     

面向精度评价的并联机床参数辨识技术

基于并联机床外部标定,推导出辨识方程的残差近似等于标定后的位姿误差。为克服最小二乘法存在较大残差的缺陷,面向精度评价,提出最小最大优化的参数辨识技术,以残差最大绝对值最小为优化目标,直接控制误差范围。标定实例验证了最小二乘法缺陷的实际存在和最小最大优化抑制较大残差的效果。该参数辨识技术直接联系运动学标定和标定后的精度评价,简单有效的提高并联机床的整体精度。     

并联运动机械误差建模及校正技术的最新进展

介绍了以德国为主的欧洲工业国在并联运动机械(PKM) 误差建模及校正技术方面的研究成果与最新进展,包括基于统计的方法 、冗余校正方法、最小线性组合法、神经网络法、固定点法、自我校正方法等新的运动学建模与参数识别方法,以及最新研制的实用测量装置或元件。目前,全世界共有40余种 PKM获得成功应用,主要应用于以德国为主的欧洲工业国的模具制造、航空制造、汽车及成形技术等领域。由于机械加工误差、安装误差等因素的影响,PKM必须进行标定校正,以达到较好的工作精度;较高的制造安装精度是PKM获得有效工作空间、良好工作精度以及动力学性能的前提,减小误差及标定校正是其成功应用的技术保证。     

Identification of structure errors of 3-PRS-XY mechanism with Regularization method

In a complicated spatial parallel or hybrid machine tool, error identification or kinematical calibration is an important way to improve and guarantee the accuracy of the end-effector. In this study, error model and kinematics with error based on 3-PRS-XY hybrid mechanism are firstly derived to introduce all possible manufacturing and assembling errors into calibration. Then, identification matrix is numerically analyzed to provide theoretical basis for measurement and calibration. Combining the advantages of calibration schemes based on both inverse and forward kinematics model, a new measurement scheme is put forward, in which not all freedoms of motions needs to be measured and error identification could be efficiently accomplished in one time measurement. With this measurement scheme, standard measuring tools are effectively used to reduce the cost of calibration. However, solution of the singular and ill-conditioning identification equations is still difficult. Therefore, for solving the ill-posed problem in error identification, several practical Regularization methods are adopted. The results of simulation and experiment verify feasibility and effectivity of the methods.     

悬臂式掘进机视觉位姿检测系统外参标定方法

当前巷道掘进过程中高粉尘、低照度等因素严重影响外参标定精度。针对以平行激光线为特征的悬臂式掘进机位姿检测系统外参标定难题,提出一种基于数字全站仪的系统外参标定方法,详细分析系统外参标定误差对测量系统的影响。通过建立视觉位姿测量系统中各模块之间的坐标转换关系,对系统外参标定原理进行数学建模,利用全站仪位姿检测方法得到全站仪系统外参标定结果下机身相对于巷道的位姿,对普通外参标定结果得到的机身相对于巷道位姿进行精度评价。实验结果表明:悬臂式掘进机全站仪系统外参标定方法位置测量误差在 ± 3 mm内,姿态角角度测量误差在0.08°内;利用全站仪系统外参标定方法得到精度结果: x、y和z方向的位置平均误差分别提高了13.073 mm、21.511 mm和18.159 mm,偏航角、俯仰角和姿态角的角度平均误差分别提高了0.225°、0.246°和0.246°。