基于GA-SVM逆系统的机械臂内模控制

六自由度机械臂系统具有强耦合、多输入多输出、非线性的特性,且难以求解精确的动力学模型。针对上述问题,提出了一种基于GA-SVM逆系统的六自由度机械臂内模控制方法。将逆系统方法用于六自由度机械臂的解耦可以有效简化控制器的设计,为了避免逆系统方法复杂的解析过程,采用基于支持向量机(SVM)辨识逆系统模型以实现解耦,并用遗传算法(GA)优化SVM系统参数以提高模型的准确性。同时,为了弥补SVM辨识逆系统的误差以及抑制系统存在的扰动,设计内模控制器以保证系统的鲁棒性和稳定性。实验结果表明,该方法不需要知道六自由度机械臂的数学模型和内部结构,也能实现各关节位置的快速精确定位控制,且具有良好的鲁棒性,结构简单,需要调节的参数少,易于工程实现。     

机械臂D-H参数和减速比几何标定及误差补偿

针对机械臂D-H参数和关节电机减速比不精确导致机械臂绝对定位精度降低的问题,提出了在利用几何分析标定机械臂D-H参数的基础上,通过分析关节实际旋转角度和相应电机编码器码值的线性关系,标定关节电机减速比的方法;针对关节角误差微分补偿法计算量大的缺点,通过推导机械臂末端位姿矩阵误差和关节角误差之间的微分关系建立误差模型,求解关节补偿角,避免了雅各比矩阵的求取,提高了计算效率;最后采用三维激光跟踪仪搭建测量系统,完成了一种6自由度机械臂的标定及补偿实验;实验结果表明,通过参数标定及误差补偿,机械臂的绝对定位误差均值从标定前的2.83 mm和1.14°降低到0.54 mm和0.24°,验证了方法的有效性。     

一种基于指数积的移动机械臂联合标定方法

提出一种基于指数积的移动机械臂联合标定方法,以实现移动平台和机械臂两者间位姿标定与机械臂运动学参数标定模型的统一.机械臂运动学参数标定使用最多的是基于D-H参数法,但D-H参数法无法克服相邻关节平行或接近平行时的奇异性问题,以及建模过程复杂、建模后的模型通用性差等问题.基于指数积的移动机械臂联合标定方法建模时不会因为关节轴平行而出现奇异性问题,建模过程简单.通过对整个系统的运动学方程进行微分运算,获得末端位姿误差和移动机械臂零位状态旋量误差及关节旋量误差的线性化模型.利用伴随矩阵方式建立关节旋量理论值与关节旋量实际值的关系,并通过改变伴随矩阵实现基于最小二乘法的参数辨识计算过程中参数更新.使用高精度激光跟踪仪作为测量工具,通过实验验证所提出方法的有效性.     

基于局部指数积的模块化机器人运动学参数标定

针对模块化可重构机器人系统展开基于局部指数积法的运动学参数标定研究,提出一种基于子装配体的模块化机器人标定方法.首先,采用旋量的指数形式对子装配体进行数学描述,建立子装配体的运动学模型.然后,采用局部指数积方法,建立基于子装配体、包含关节约束条件的模块化机器人实际运动学模型.通过对运动学模型取微分,根据指数映射微分公式的显式表达式,给出模块化机器人末端位置误差与子装配体的关节旋量误差、末端子装配体的局部位置误差之间映射关系的显式表达.最后,以一套模块化可重构机械臂系统为试验平台,采用激光跟踪仪为测量设备进行试验.试验结果表明标定过程能够收敛到稳定值,经参数标定后用于试验的6自由度模块化机械臂定位误差模的平均值降低了近95％,最大值降低了近92％.     

排爆机器人机械臂定位精度误差自动补偿方法研究

针对于排爆机器人在进行排除爆破物质时,机械臂不能满足绝对准确的定位要求,位置检测精度与实际距离之间存在一定的误差。为了解决这一问题,提出排爆机器人机械臂定位精度误差自动补偿方法。基于D-H运动模型和微分变换法创建排爆机器人机械臂位姿误差模型,对误差模型进行重复参数分析,去除重复参数获得可辨识的线性方程;在可辨识的运动学参数误差模型线性方程中加入一个增量进行误差补偿。最后通过仿真实验结果表明,所提方法通过对机械臂位姿误差模型进行有效补偿,使排爆机器人机械臂绝对定位精度均值提升1.3mm。     

基于最优激励位姿序列的机械臂负载估计

重力补偿方法广泛地应用于由连杆与旋转机构组成的机器人系统中,更换机器人末端执行器造成了补偿模型的不确定性．针对该问题,提出了一种利用机器人关节力矩与位置信息的负载参数离线辨识方法．基于机器人静力学方法提出了2种负载参数的计算模型,并通过采集机器人在多个静态位姿条件下的关节力矩与位置信息获得负载参数的最小二乘解．进一步,本文针对机器人的辨识位姿选取问题展开研究,提出了同时保证辨识精度与辨识简便性的多目标优化问题,使用多目标粒子群优化方法获得最优辨识位姿．根据辨识后的负载参数,给出了机械臂各关节负载的重力补偿量计算方法．实验结果表明所提方法具有较高的辨识精度,负载质量的辨识误差最小值达到0.007 06 kg,最大值达到0.151 kg,负载质心位置的辨识误差最小值达到0.025 4 m,最大值达到0.122 m,验证了上述方法的可行性与有效性．     

采用Kinect的多臂协调操作系统

为完成基于Kinect的多臂协调精细操作的任务,搭建了一套双机械臂操作系统,利用Kinect作为视觉传感器对场景进行实时检测,并利用基于工作空间的RRT算法对其中一台七自由度机械臂末端进行路径规划完成目标的自主抓取。根据手眼协调控制技术,利用另外一台六自由度机械臂末端的摄像机采集的图像误差控制机械臂的运动,并利用粒子滤波算法对目标进行实时跟踪。通过设计一套双臂协作完成物体交接的实验系统,完成了多臂协同操作的任务,并验证了实验方法的可靠性。     

基于多种群协同进化算法的绳索牵引并联机器人末端位置误差补偿

对于绳索牵引并联机器人来说,影响其末端位置精度的模型不确定性主要包括几何参数误差和非几何参数误差.这两种不同类型的误差具有非常强的非线性且相互耦合,难以通过传统的标定手段来进行参数标定.针对这一问题,提出了一种基于神经网络的末端位置误差补偿方法.将两种不同类型的参数误差等效视作伪误差,通过神经网络来逼近伪误差造成的末端位置误差曲线,建立末端位置误差与绳索长度之间的映射关系,并在关节空间中进行位置误差补偿.为了提高神经网络的拟合精度,设计了基于多种群协同进化算法和反向传播算法的神经网络优化方法,该优化方法能够同时优化网络的权值、阈值和结构,提高神经网络的泛化能力和拟合精度.在实际3自由度绳索牵引并联机器人上进行了位置误差补偿实验,结果表明补偿后的位置误差均值从6.64 mm下降到1.08 mm,轨迹误差均值从7.5 mm下降到1.6 mm,末端位置的精度得到了显著提高.     

基于末端转角误差的并联机器人零点标定方法

针对一种4自由度高速并联机器人（Cross-IV机器人）的零点标定问题,提出了一种基于末端转角误差信息的快速零点标定方法．基于机器人的单支链闭环矢量方程,建立了零点误差全集与末端误差之间的映射模型．通过对误差传递矩阵的分解,在仅利用旋转编码器对末端转角误差进行测量的基础上,构建了该机器人的快速零点误差辨识模型．为进一步最大化测量效率及提高辨识矩阵的鲁棒性,提出了一种优化的测量点选择方案．通过仿真详细验证了该零点标定方法的鲁棒性与准确性．基于激光跟踪仪的验证实验表明,经标定后机器人末端位置误差降低至1.312 mm,转角误差降低至0.202°,标定结果表明该零点标定方法简单、有效．     

利用3D打印标定球的机械臂与RGB-D相机手眼标定方法

因为彩色镜头和深度镜头不在同一位置,并且深度图像测量精度差、分辨率低、没有颜色纹理信息,传统的手眼标定方法并不适用于RGB-D相机．本文提出一种利用简单低成本的3D打印球作为标定件对机械臂与RGB-D相机进行手眼标定的方法．本方法只需要测量标定件的3D位置信息,避免使用测量不便、精度稍差的姿态信息．文中给出了该方法的封闭解和迭代优化解．100组仿真结果表明,标定精度与RGB-D相机自身测量精度一致;封闭解不需要机械臂与相机时间同步;迭代优化解的标定精度略有提升,误差最大值和误差方差都很稳定．最后,在7自由度的KUKA ⅡWA机械臂和Kinect相机上做了手眼标定实验,结果与仿真实验一致．总之,本文方法简单可靠,可实现机械臂与RGB-D相机之间的快速部署手眼标定．     

Kinematic calibration of a 2-DOF translational parallel manipulator

Two types of kinematic calibration method for a 2-DOF (degrees of freedom) translational parallel manipulator are proposed using different error models. A calibration experiment is performed on both methods using an Absolute Laser Tracker and the results are compared. Two error models of the 2-DOF translational parallel manipulator are established using differential method and linear perturbation method, respectively. The two error models are solved using both the least squares method and linear equations. The results for the two different calibration methods show that the error model based on differential method is more effective in improving the accuracy of the 2-DOF translational parallel manipulator. Overall, the absolute position error of the 2-DOF translational parallel manipulator is significantly reduced to 0.13?mm from 0.93?mm after kinematic calibration.     

基于STM32的力觉反馈装置及用于主从遥操作实现

在遥操作系统中为了增强现实及实现本地力觉信号再现功能以提高精细化操作的目的 ,设计了用于人机交互功能的力反馈装置;该装置为单自由度结构,基于步进电机驱动;利用STM32微控制器采集触觉力信号以及关节位移信号,通过设计基于力误差的控制律调整位置变量实现输出力信号与标准力信号的匹配;为了验证该力反馈装置进行了标准力信号再现实验;并且利用该力反馈装置作为主机械手与单自由度从机械手搭建遥操作装置,进行了力、位置双边跟踪实验验证,实现了主、从机械手力、位置协同一致的目的.     

A new approach to improve absolute positioning accuracy of robot manipulators

This article describes a new calibration system for robot manipulators which improves their absolute positioning accuracy by using parameter-estimation algorithms based on the Newton method. When 3D position data of the specified points on a manipulator and the joint encoder values are input to the calibration system, the system estimates the offset values of joint encoders, link lengths, and position and orientation of the manipulator base coordinate system with respect to the world coordinate system which is difficult to obtain by conventional calibration methods. This calibration system can be applied to various manipulator types by just changing the basic kinematic equations. The system employs an algebraic programming system called REDUCE to automatically reduce the manipulator kinematic equation and partial differential calculus in the Newton method. For efficiency, first only the arm part with three degrees of freedom and then the hand part are calibrated. The experimental results demonstrate the effectiveness of this system by reducing the robot's absolute positioning errors to the order of repeatability errors.     

机器人的位姿标定及其误差补偿

本文用建立机器人目标空间转换矩阵的方法,通过对机器人几点位姿的标定,从而补偿这几点及以这几点为中心的小区域的误差.这种方法简便实用,仅用标定和增加一些软件的方法可使工业机器人位姿精度大大提高.     

机械臂绝对定位精度标定关键技术综述

目前我国飞机和卫星装配仍主要采用人工装配,装配技术陈旧、机器人绝对定位精度低等问题难以满足飞机和卫星高精度、高性能的要求,阻碍了工业机器人在航空制造行业的发展,因此,在机器人柔性自动化装配过程中,如何提高机械臂绝对定位精度的标定技术已成为学术界和工业界广泛关注的焦点。为了系统地分析和总结现有的研究成果,对绝对定位精度标定方法进行了分类探讨,归纳了国内外机械臂标定技术的研究现状,详细分析了误差不确定性、冗余参数的消除及最优测量结构选择性等关键技术,并对机械臂绝对定位精度标定技术的未来发展趋势进行了构想和展望。     

Modelling the movement of a two-link manipulator

An algorithm for optimizing the control signal for simple movements of a two-link manipulator with four degrees of freedom is described. Based on the typical movement and functions of upper human extremities, the manipulator (so-called anthropomorphic manipulator) is composed of two links. The motion of the links is developed by four driving motors. The mathematic model is based of the Lagrange equations of the IInd king. The minimization of the time of movement with initial limitation of accuracy is obtained and the error of the final position is minimized without changing the time-optimal criterion. The relations connected with minimalization of both quality factors are considered. At the same time, the algorithm optimizes the torque distribution between the actuators which drive each link of manipulator. As well the manipulator as its activity are modelled on the digital computer. The results of the computer simulation of the algorithm, and the modelling of the time and accuracy optimal control, are presented.     

Stable camera position control of unmanned aerial vehicle with three‐degree‐of‐freedom manipulator for visual test of bridge inspection

This paper describes a camera position control with aerial manipulator for visual test of bridge inspection. Our developed unmanned aerial vehicle (UAV) has three‐degree‐of‐freedom (3‐DoF) manipulator on its top to execute visual or hammering test of the inspection. This paper focuses on the visual test. A camera was implemented at the end of the manipulator to acquire images of the narrow space of the bridge such as bearings, which the conventional UAV without the camera‐attached manipulators at its top cannot achieve the fine visual test. For the visual test, it is desirable that the camera is above the body with enough distance between the camera and the body. As obvious, the camera position in the inertial coordinate system is effected by the movement of the body. Therefore we implement the camera position control compensating the body movement into the UAV. As a result of an experiment, it is assessed that the proposed control reduces the position error of the camera comparing the one of the body. The mean position error of the camera is 0.039 m that is 51.4% of the one of the body. Our world‐first study enables to acquire the image of the bearing of the bridge by a camera mounted at the end effector of aerial manipulator fixed on UAV.     

双轴旋转光纤捷联惯导八位置标定方法

针对双轴旋转捷联惯导系统长期工作时光纤陀螺误差参数随时间变化问题,提出一种姿态未知条件下的八位置标定方法.该方法利用双轴旋转机构可提供惯性测量单元(LMU)相对载体固定角位置特性,结合光纤陀螺简化误差模型,设计出八位置标定路径并激励出光纤陀螺误差参数.新的标定方法既避免了陀螺误差参数的耦合影响,又可以解算出载体航向信息.转台实验结果表明,八位置标定方法可在载体姿态未知条件下完成对光纤陀螺误差参数的标定工作.     

MEMS加速度计二阶非线性补偿方法研究

微惯性集成测量组合(MIMU)中的惯性传感器,陀螺仪和加速度计的标定补偿研究大多集中在安装误差角补偿和一阶线性常数的计算上,对二阶非线性系数的测量、计算研究的不多不深.通过分析含二次非线性系数的加速度计输出模型,提出一种补偿二次非线性系数的方法,并进行了完善的理论分析和试验.最终通过计算能有效补偿MIMU的输出精度,为后续的导航信息解算奠定了基础,具有重要的工程应用价值.