Delta并联机构精度标定方法研究

以Delta并联机构为对象,研究一类含平行四边形支链的3自由度并联机构误差建模技术,所建模型可有效分离出影响末端姿态误差的几何误差源。在此基础上提出一种精度标定方法,该方法利用并联机构操作空间与关节空间非线性映射的性质,仅需检测末端沿z向的位置误差、以及在初始位形下的姿态误差便可识别出几何参数,并可通过修改系统输入实现末端位置误差补偿。给出算例以验证该方法的有效性。     

一种含平行四边形支链的3自由度并联机构姿态精度综合与装配工艺设计

以含平行四边形支链的3平动自由度并联机构主模块为对象,通过误差建模揭示出影响这种机构末端姿态精度因素。利用灵敏度分析结果,将精度综合归结为一类有约束线性规划问题,并据此提出两种可以有效抑制末端姿态误差的装配工艺方案。     

一种少自由度飞行模拟运动平台误差分析

将一种少自由度并联机构3-PRS用作飞行模拟运动平台,为使该平台运动精度满足系统要求,对其进行误差分离与灵敏度分析。通过研究平台运动学逆解模型获得驱动雅克比矩阵与约束雅克比矩阵,采用空间闭环误差矢量链的误差建模方法,对运动平台进行误差建模,获得各个几何误差源与终端输出位姿误差之间的映射函数,在所建立的全误差源模型的基础上,利用解析法去除冗余误差源后,借助驱动雅克比矩阵与约束雅克比矩阵将影响该平台末端可补偿位姿误差的误差源和不可补偿位姿误差的误差源分离。最后,在整个运动空间内,借助灵敏度分析,获得影响末端不可补偿位姿误差源的全局灵敏度影响系数。根据灵敏度影响系数可指导前期设计阶段各零部件公差等级的选择以及装配阶段装配公差的确定,研究结果对同类少自由度并联机构具有指导意义。     

基于变胞铰链的并联机构结构设计与构型分析

为了拓展变胞机构的种类,提出了一种变胞运动单元,该变胞单元采用三个旋转关节,并且三个旋转关节可以通过位置调节形成等效球铰、虎克铰以及转动副。与传统的锁定运动副来实现变胞功能的变胞单元相比,此变胞单元三种构型的切换只需对轴线位置调整,无需额外增加关节锁死电机。通过研究由线矢量构成的螺旋系统的相关性,揭示了变胞运动单元构态变化的基本原理。提出了可用于构造新型变胞并联机构的支链构型设计方法,并基于螺旋的互易性分析了各支链构型所必须满足的几何约束条件。提出了两种变胞并联机构,通过不同的支链装配形式可将其从6自由度构型转换为3自由度构型,并对支链安装形式进行改进,构造出了具有3自由度平移模式和3自由度转动模式的并联机构。对变胞支链作为中心支链组装而成的并联机构的构型及对应的运动类型进行了分析,获得了六种不同构型的并联机构。     

3RPS并联机构的运动学误差建模及其分析

为了提高XYZ-3RPS六轴卧式混联机床的运动学精度,建立了3RPS并联机构的运动学参数误差模型。首先对3RPS并联机构的几何误差源进行了分析。然后基于闭环矢量微分法建立了3RPS并联机构包含铰点位置误差、转动副轴线方向误差、驱动支链零位杆长误差等27项结构参数误差对末端位姿误差的映射模型。最后设计了仿真实验,利用ADAMS的虚拟样机技术,获取机构实际末端位姿误差。通过与误差模型的结果对比,验证了所分析的27项结构参数误差设定值在（0.1～0.2）mm的范围内,误差模型的位置误差求解精度大于0.01mm,姿态误差求解精度大于0.01°。进一步的数值验证表明,误差模型的精度会随着结构参数误差值的减小而显著提高,为3RPS等少自由度并联机构的误差建模和运动学标定提供理论依据。     

并联构型装备几何参数可辨识性研究

以6自由度并联构型装备为例,研究了基于误差子集检测信息的几何参数辨识问题.在数学上严格证明造成误差雅可比矩阵奇异的原因,并提出了一种基于最小误差子集检测信息的运动学标定方法.该方法仅需检测末端历经所有可能自由度时关于某一平面的平面度误差、在平动时关于该平面内任意直线的直线度误差以及在初始位形下的姿态误差便可辨识出系统的全部几何参数,具有经济、高效且适用于少自由度系统的特点.     

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。     

可重构PKM模块的选型原则 --理论与实践

可重构与多功能是并联构型装备(PKM)的重要发展趋势,模块化设计是实现这类装备可重构性的使能技术.首先借助线性空间理论,简要论述了少自由度并联机构的组成原理.按照支链对动平台提供约束和驱动的作用不同,将支链分为四种类型,并据此得到少自由度并联机构的三种组合方案.基于对可重构性、多功能,以及速度、刚度特别是精度的考虑,提出可重构PKM模块的选型原则,认为含简式恰约束支链的并联机构较适于搭建兼顾上述需求的PKM模块,进而将可重构PKM模块的设计转化为恰约束支链的选型问题.在此基础上,提出一种含主动恰约束支链的5自由度混联机械手模--TriVariant,其具有与Tricept机械手完全相同的自由度数目和类型,且几乎继承了后者的全部优点.最后给出若干用TriVariant搭建可重构装备的应用示例.     

Tricept机械手静刚度解析建模方法

以Tricept机械手的3自由度球坐标型并联机构为例,提出含恰约束支链的球坐标型并联构型装备静刚度解析建模方法。该方法首先借助子结构综合思想将末端执行器位姿变形分解为无约束主动支链的拉压变形、恰约束支链的弯曲变形及其扭转变形3个部分,然后利用虚功原理和结构矩阵法建立各子结构系统的静柔度模型,最后借助线性叠加原理组集整机末端静柔度模型。在建模过程中,侧重研究恰约束支链弯曲刚度以及铰链刚度的建模方法。在此基础上,考察了Tricept机械手中3自由度并联机构静刚度在工作空间中的变化规律,并借助全局性能指标评价了主要构件柔度对整机柔度的贡献。     

一种少自由度并联机构误差特性分析方法

应用螺旋理论分析机构螺旋系及分支螺旋系，从机构不可控自由度和可控自由度两方面，通过虚设运动副，形成适用于少自由度并联机构的通用性误差特性分析方法(简称自由度法)，该方法无需误差建模，可单独分析特定误差对动平台输出的影响。以3-CUR并联机构为例，应用该方法进行误差分析，得到其误差特性规律。利用矢量法建立3-CUR机构的误差模型，并经仿真分析验证前述规律，根据此规律设计和加工样机，通过样机试验验证自由度法的正确性。     

Error Modeling and Sensitivity Analysis of a Parallel Robot with SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm） Motions

Parallel robots with SCARA（selective compliance assembly robot arm） motions are utilized widely in the field of high speed pick-and-place manipulation. Error modeling for these robots generally simplifies the parallelogram structures included by the robots as a link. As the established error model fails to reflect the error feature of the parallelogram structures, the effect of accuracy design and kinematic calibration based on the error model come to be undermined. An error modeling methodology is proposed to establish an error model of parallel robots with parallelogram structures. The error model can embody the geometric errors of all joints, including the joints of parallelogram structures. Thus it can contain more exhaustively the factors that reduce the accuracy of the robot. Based on the error model and some sensitivity indices defined in the sense of statistics, sensitivity analysis is carried out. Accordingly, some atlases are depicted to express each geometric error’s influence on the moving platform’s pose errors. From these atlases, the geometric errors that have greater impact on the accuracy of the moving platform are identified, and some sensitive areas where the pose errors of the moving platform are extremely sensitive to the geometric errors are also figured out. By taking into account the error factors which are generally neglected in all existing modeling methods, the proposed modeling method can thoroughly disclose the process of error transmission and enhance the efficacy of accuracy design and calibration.     

基于广义几何误差模型的微机器人精度分析

提出了一个用于微机器人精度分析的通用方法,该方法以广义几何误差的形式描述各种误差源对机器人本体产生的影响,通过任两座标系间的向后微分关系,利用运动学方程以及并联机构的环路特性,建立了微机器人的广义几何误差模型。基于此模型,对工作空间中的位姿误差进行了仿真分析,验证了该法的有效性。此方法虽然是针对微机器人,但可推广应用到一般并联机器人的误差建模和精度分析。     

移动机器人里程计非系统误差不确定性分析方法

移动机器人里程计非系统误差建模是研究移动机器人定位问题的基础。现有的移动机器人里程计非系统误差建模方法多数针对某一种驱动类型移动机器人设计,运动过程中缺乏对里程计累计误差的实时反馈补偿功能,经过长距离运动过程定位精度大幅度降低。基于此,针对同步驱动和差动驱动轮式移动机器人平台提出一种通用的里程计非系统误差建模方法。在假设机器人运动路径近似弧线基础上,依据里程计误差传播规律推导非系统误差与里程计过程输入量之间的近似函数关系,进而对移动机器人位姿跟踪过程中产生的里程计累计误差给予实时反馈补偿。里程计非系统误差建模前后定位过程的对比试验表明,这种非系统误差实时补偿方法有效地减少了移动机器人导航过程中产生的里程计累计误差,提高了定位精度。     

Accuracy analysis and design of A3 parallel spindle head

As functional components of machine tools, parallel mechanisms are widely used in high efficiency machining of aviation components, and accuracy is one of the critical technical indexes. Lots of researchers have focused on the accuracy problem of parallel mechanisms, but in terms of controlling the errors and improving the accuracy in the stage of design and manufacturing, further efforts are required. Aiming at the accuracy design of a 3-DOF parallel spindle head(A3 head), its error model, sensitivity analysis and tolerance allocation are investigated. Based on the inverse kinematic analysis, the error model of A3 head is established by using the first-order perturbation theory and vector chain method. According to the mapping property of motion and constraint Jacobian matrix, the compensatable and uncompensatable error sources which affect the accuracy in the end-effector are separated. Furthermore, sensitivity analysis is performed on the uncompensatable error sources. The sensitivity probabilistic model is established and the global sensitivity index is proposed to analyze the influence of the uncompensatable error sources on the accuracy in the end-effector of the mechanism. The results show that orientation error sources have bigger effect on the accuracy in the end-effector. Based upon the sensitivity analysis results, the tolerance design is converted into the issue of nonlinearly constrained optimization with the manufacturing cost minimum being the optimization objective. By utilizing the genetic algorithm, the allocation of the tolerances on each component is finally determined. According to the tolerance allocation results, the tolerance ranges of ten kinds of geometric error sources are obtained. These research achievements can provide fundamental guidelines for component manufacturing and assembly of this kind of parallel mechanisms.     

基于D-H矩阵的3-RSR并联机器人的误差建模

本文通过选取3-RSR并联机器人的任意一条支链作为研究对象,利用D—H矩阵建立动平台相对于静平台的位姿关系矩阵,采用矩阵微分法推导出机构原始误差到末端执行部分的误差映射模型。该模型包含了机构全部的几何原始误差,同时将末端执行部分位姿误差与原始几何误差间的非线性隐式函数关系简化为线性显式函数关系,是进一步研究误差补偿的基础。     

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.     

基于球杆仪的三坐标并联动力头运动学标定方法

以一种新型3自由度并联动力头——A3头为对象,研究基于球杆仪检测信息的运动学标定方法。通过将误差闭环方程向支链驱动与约束方向投影,建立球杆仪检测信息与支链几何误差源的线性映射模型,所建模型可有效地分离出影响动平台可补偿和不可补偿精度的几何误差源。在此基础上,提出一种具有分层递阶格式的运动学标定方法,即首先识别出初始位形的支链零点误差,其次利用球杆仪识别其他几何误差源。计算机仿真和试验结果表明,所提出的运动学标定方法是有效的。     

基于虚设运动副的并联机器人静态误差建模与标定

基于并联机器人影响系数和虚位移原理,以一般空间并联机器人为例,通过虚设运动副,提出一种并联机器人静态误差建模与分析的通用新方法。该方法用于确定各个原始加工装配误差源对并联机器人末端位姿的独立影响,具有物理意义明确、建模分析便捷等优势。在此基础上,基于虚设运动副建立了3-P(4S)并联机器人各误差映射矩阵,并对该机器人开展了静态误差标定实验研究。实验结果表明,基于该方法标定后,3-P(4S)并联机器人输出定位误差最大值由0.585mm减小到0.142mm,标定后机器人定位精度明显提高,从而验证了该方法的有效性。