基于双结构光视觉的机器人运动学参数标定方法

为解决机器人因运动学参数误差而导致的绝对定位精度损失,提出一种基于双结构光视觉的关节机器人运动学标定方法,具体研究了双结构光光源配合双目视觉在求取光源发射装置空间位置中的应用、推导了出光源装置位置误差与连杆参数误差的误差方程。通过采集机器人若干末端的机器人坐标系位姿与世界坐标系位姿数据,再基于最小二乘理论求取机器人坐标系与世界坐标系的单应性矩阵,将之后采集的点通过单应性矩阵转换到机器人坐标系下的位姿。再通过误差方程来获取连杆参数误差,并对其真实参数进行修正,从而提高机器人定位精度。最后讨论了该方法在SK-10R关节机器人上进行标定的实验结果,结果表明该方法能实现机器人空间位姿的标定,在低成本的条件下大幅提高机器人的绝对定位精度。     

机器人轨迹规划目标逆解精度优化算法

应用常规D-H建模方法,建立6R机器人正运动学模型。当模型存在误差时,轨迹规划目标逆解含有误差,实际运行轨迹无法满足机器人作业精度。提出将目标位姿与实际位姿间误差作为迭代目标,基于Levenberg-Marquardt方法求逆,利用含有误差的模型参数,实现逆解精度迭代优化,输出修正后的关节角逆解,可使机器人实际运动以所需作业精度接近轨迹规划目标位姿。经仿真验证,算法可完成复杂的轨迹规划逆解精度优化,且避免运动学模型高精标定与参数识别,有实际应用价值。     

6R机器人轨迹规划目标逆解精度优化算法

应用常规D-H建模方法,建立6R机器人正运动学模型。当模型存在误差时,轨迹规划目标逆解含有误差,实际运行轨迹无法满足机器人作业精度。提出将目标位姿与实际位姿间误差作为迭代目标,基于Levenberg-Marquardt方法求逆,利用含有误差的模型参数,实现逆解精度迭代优化,输出修正后的关节角逆解,可使机器人实际运动以所需作业精度接近轨迹规划目标位姿。经仿真验证,算法可完成复杂的轨迹规划逆解精度优化,且避免运动学模型高精标定与参数识别,有实际应用价值。     

一种用于控制工业机器人运动轨迹误差的观测控制策略研究

为了提高工业机器人运动轨迹的控制准确度,提出一种运动误差观测控制策略。分析机器人的组成结构,明确其工作原理。建立工业机器人的坐标系,并在该坐标系上求取机器人连杆间坐标系的变换矩阵;利用连杆间坐标系的变换矩阵,得到机器人末端执行器的运动学模型。以机器人的测量运动误差为依据,联合工业机器人的标称正向运动学模型,求取传感器架以及标称架与底座之间的变换模型;通过该变换模型,计算传感器架相对于标称架之间的位置向量及动态误差变换矩阵,得到测量运动误差值;通过测量运动误差值,构造运动误差观测器,用于获取机器人的估计运动误差,并将估计运动误差联合神经网络控制器,以实现对机器人运动轨迹的准确控制。利用此方法和滑模控制策略对平面和空间标定运动轨迹进行追踪,结果显示：此方法能准确地对平面和空间标定运动轨迹进行追踪,而且与滑模控制策略相比,此方法的追踪精度提高了34.25%。说明此方法能对工业机器人的运动轨迹进行精确的控制。     

柔索驱动并联机器人的误差分析及其标定仿真

建立了大射电望远镜(Large Radio Telescope-LT)中柔索驱动并联机器人(Wire Driven Parallel Ro-bot-WDPR)系统的末端误差模型,用正向运动学标定方式对LT5m缩比模型的运动学参数做了辨识。首先,建立LT舱索系统的运动学正、逆解模型;接着,在运动学分析的基础上建立了其误差模型,得到影响末端位姿误差的各项参数;最后,对LT5m柔索并联机构的标定过程作了模拟,验证算法的有效性。结果显示该算法收敛性好,忽略测量误差的情况下能够保证运动学参数具有很高的标定精度,从而为提高LT5m模型的控制精度奠定了理论基础。     

基于空间直线约束的焊接机器人手眼标定

视觉传感器与焊接机器人的标定是焊接智能化应用中的重要问题,针对末端夹持线结构光传感器的焊接机器人,提出了一种基于空间直线约束的手眼标定方法.首先任意变换机器人位姿使线结构光传感器投射出的光平面与标定模板相交,然后通过特征点提取算法提取出线结构光与直线的交点,并基于直线约束建立了非线性优化模型,最后结合罚函数法与改进的Powell算法同时求解传感器位置与方向参数.基于上述方法进行了一系列试验,结果表明,该方法通用性强,适合现场标定,有效的提高了标定精度,标定精度在0.2 mm以内.     

六轴焊接机器人末端测量系统

研发了一种用来测量六轴焊接机器人末端位置和方向的新型测量系统,该测量系统通过5个数字探头来获取焊接机器人末端的位置和方向等运动学参数。在六轴焊接机器人工作前,进行了末端位置测量系统的标定,标定后系统的定位精度为0.025 mm,定向精度为0.075°。实验中,通过末端测量系统得到了焊接机器人控制器增益调节过程中的位姿,并结合田口法找到了最佳控制器增益。实验结果表明,采用最佳控制器增益的焊接机器人末端的振动得到了有效抑制,在高频段的末端振动幅度降为原来的54%。对于多轴焊接机器人的控制具有重要价值。     

斜交非球型3R手腕全参数误差建模与标定实验研究

根据连续3R斜交非球型手腕的结构特征和工作原理,以D-H参数模型为理论依据,建立该手腕的运动学模型和全参数误差辨识模型,并用美国FARO公司生产的Xi型三维激光跟踪仪对手腕几何参数进行标定试验。经标定补偿后,连续3R斜交非球型手腕单轴方向定位精度可达到0.09mm,空间位置定位精度可达到0.104mm,完全可以满足喷涂机器人的工作精度要求。     

蛇形空间机械臂单个2-DOF关节的运动学标定

绳索驱动的分段式蛇形空间机械臂通常具有相同结构的模块化关节,能够在狭小空间中灵巧操作,其精度是制约机器人发展的主要因素。为了提高蛇形空间机械臂的位置精度,指导蛇形空间机械臂的精度设计,以单个2-DOF关节为对象,提出一种正则化的运动学标定方法。首先,对具有多重映射关系的2-DOF关节的运动学进行分析,通过矩阵全微分理论建立包含所有几何误差参数的误差模型。然后,对2-DOF关节各部件的所有误差源进行灵敏度分析,依据3σ原则和理想的位置精度设计指标指导各部件的公差设计。最后,考虑所有的制造和装配误差,采用正则化方法对2-DOF关节进行误差辨识,用于补偿控制器中的名义运动学模型。结果表明,经过修正后的运动学模型的位置精度提高了50%,验证了运动学标定的有效性。     

基于位置约束的工业机器人运动学标定

鉴于标准DH方法在描述平行关节时存在问题,采用MDH方法建立机器人的运动学,提出基于末端位置约束关系建立线性方程组进行结构参数辨识的一般方法。针对方程组系数矩阵退化的问题,从运动学的雅可比矩阵入手,分析了退化的原因,为结构参数选择提供了理论依据。讨论了机器人基坐标系和测量坐标系转换的问题,设计了一种无需坐标系转换的基于十字型杆件的简易标定方法。基于matlab进行仿真后,采用该方法标定MOTOMAN-MH6机器人,标定后,按照示教器读数计算的十字型杆件长度误差从4mm降低到1mm以内,说明该方法是有效的。     

基于机器视觉定位的自动鹤管系统设计

针对目前油品装车过程中人工引导鹤管对接存在定位精度低、制约生产效率、安全隐患等问题,提出一种基于机器视觉定位的自动鹤管系统。在传统鹤管基础上对关节进行了自动化改造,并设计了平衡机构以协调外臂和垂管的重力;基于简化的鹤管系统三维模型,进行静力学特性分析;建立自动鹤管运动学模型,并进行工作空间分析及轨迹规划;采用机器视觉技术完成了槽车罐口识别与定位程序设计。图像仿真定位实验结果表明视觉系统定位误差在8 mm以内,能够较好地满足鹤管的定位对接要求。     

基于可变结构参数调整的机器人末端运动检测系统

为解决机器末端运动轨迹测量精度波动较大,不能满足工程实际要求的问题,提出一种可变结构参数调整模型,并开发了一套针对机器人抛光的机器人末端运动检测系统。基于轴线汇聚模型研究双目视觉系统中关键结构参数(基线距、光轴角、垂直视场角)对测量精度的影响规律并确定参数的最优域;通过实验得出各结构参数和测量精度的交互影响规律,建立可变结构参数调整模型;开发了一套机器人末端运动检测系统,并对其精度和性能进行了比对验证。验证结果表明:所设计的机器人末端运动检测系统在大尺度条件下检测精度在0.094 mm内,与激光跟踪仪精度相当,满足机器人抛光需求。     

Kinematical calibration of a hybrid machine tool with Regularization method

The hybrid machine tools, combining the advantages of serial and parallel type machine tools, provide more and more application opportunities for less-freedom parallel mechanism. Accuracy performance is still an important index of hybrid machine tool for industry application. In this study, configuration of a 3-P(4R)S-XY hybrid machine tool is first introduced. The 3-P(4R)S parallel mechanism can be simplified to a 3-PRS mechanism on kinematical calibration. Based on that, error model and error kinematics are derived to introduce all possible manufacturing and assembling errors into calibration. Then, identification matrix is derived by differentiating kinematical equations. 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. In order to solve the ill-posed problem in error identification, practical Regularization methods are adopted. Finally, the kinematical calibration experiment of the prototype machine tool is performed with a combined measuring tool. The results of RTCP accuracy test reveal that the positioning accuracy is less than 0.05 mm in the 30° cone workspace. Calibration experiments for the prototype verify feasibility and effectivity of the more precise kinematical error model, the low-cost measurement scheme, and the error identification solution with Regularization method.     

机械手臂正运动学及其末端机械手工作空间研究

机械手臂作为机器人实现抓取任务的主要执行机构,其合理化结构设计、运动学模型构建及可达空间问题一直是研究热点。基于机械手臂构型特点,采用改进的D-H法创建了机械手臂正运动学模型,通过齐次坐标变换推导出末端机械手的位置矩阵,并通过理论计算与仿真结果对比验证了所建模型的准确性;利用蒙特卡洛法对末端机械手工作空间进行模拟,得到末端机械手工作空间点云图及工作边界;利用convhull凸包函数处理边界点云,生成一个较为准确的包络空间进而计算该工作空间体积大小;在此基础上,进一步分析得到机械手臂结构参数对其工作空间体积的影响规律,为后续机械手臂结构参数优化、运动控制和轨迹规划等提供了参考。     

视觉测量在机器人加工过程手眼标定中的应用

针对高精度测量辅助机器人加工的手眼标定,提出一种基于三维视觉测量的精确手眼标定方法,该方法考虑了非线性优化和初值计算中建模误差的影响。为了提高求解精度,在传感器框架中建立了具有更精确参考点的非线性标定模型,提出一种结合传感器测量和机器人位置随机误差的迭代权重优化解。在初值解中,建立考虑基础参考测量误差的测量平差模型,并使用拉格朗日乘子进行求解。仿真对比结果表明：该方法在估计手眼变换参数方面比其他典型方法具有更高的精度。最后通过搭建实验平台,进一步验证了所提方法在求解精度测试上的优越性。     

基于视觉的工业机器人离线编程系统的设计

针对传统离线编程系统通用性差、可靠性低和二次开发难度大等问题,开发一套基于机器视觉的工业机器人离线编程系统。基于模块化思想,将该系统划分为机器视觉模块、虚拟环境模块、运动学模块、轨迹规划模块、离线程序模块和外部通信模块。借助机器视觉模块解构视觉系统与机器人末端位姿的坐标映射关系,得到规划机器人运动所需的位姿数据;基于虚拟现实建模语言构建机器人虚拟仿真环境,基于运动学模块与轨迹规划模块将位姿数据转化为机器人的作业〖JP2〗指令;基于离线程序模块与外部通信模块实现控制器指令与虚拟仿真环境的无缝衔接。最后,以一种六轴工业机器人为测试对象验证了该离线编程系统的基本功能。实验结果表明:该系统定位误差最大为0.4 mm,精度高,可满足工业应用需求。     

一种六自由度上肢康复训练机器人运动学及工作空间仿真分析

针对现有上肢康复训练机器人存在功能集成度低和结构庞杂的缺陷,设计了一种6DOF可穿戴式上肢康复训练机器人。采用SolidWorks构建机器人的三维模型,通过ADAMS/View提供的模型交换接口导入ADAMS中进行运动学仿真。基于D-H表示法建立机器人的正向运动学模型,利用MATLAB软件对机器人进行运动学仿真及工作空间仿真分析。得到机器人末端轨迹仿真曲线与理论曲线一致,检验了机器人运动学方程推理的准确性,工作空间仿真结果说明了该方案的合理性。     

六自由度工业机器人本体标定实验的研究

目前六自由度工业机器人普遍具重复定位精度较高,但绝对定位精度较低的特性,所以为了提高离线编程的精度,需要通过运动学建模、实际测量、参数辨识、误差补偿四步进行机器人本体标定。文中在概括总结现有的工业机器人本体标定技术的基础上,运用MATLAB进行运动学仿真建模,Leica AT960绝对激光跟踪仪系统进行实际测量,SA软件实现参数辨识,外部控制器进行关节补偿,完成本体标定实验。并在此基础上,按照GB/T12642-2013进行标定前后机器人位姿特性检测,通过Robot Check软件处理检测数据,对比前后结果,验证了本体标定实验。     

基于蒙特卡洛法的模块化机器人工作空间分析

采用D-H参数法建立六自由度模块化机器人的运动学模型;基于蒙特卡洛法,并利用MATLAB软件编程,进行模块化机器人工作空间的分析与仿真。分析结果验证了所搭建工作台的合理性,证明了在工作空间内进行轨迹规划,能够完成其夹持装配的工作任务,为进一步研究其轨迹规划和运动控制奠定了基础。