一个特殊3自由度并联机构的精度分析及标定

运动学标定是一种提高机器精度的有效方法。一个改进的误差分析和标定方法得到仿真验证,解决一个用做锻压操作机台虎钳的特殊3自由度并联机器的标定问题。通过建立运动学正解和逆解模型,得到机构的运动空间并对机构进行运动学精度分析,得到机构所有误差源对终端位姿误差的影响因子。结合零部件加工工艺性及精度分析的结果,确定需要标定的误差源,并利用直接微分法得到机构的雅可比矩阵。随机选点建立误差辨识矩阵对机构运动学参数进行标定辨识,Matlab仿真结果显示,经过1次运算得到的运动学参数误差的辨识值与真值之间的偏差小于5%,验证了针对这一特殊3自由度并联机器的精度分析和标定方法的有效性。     

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。     

虚拟腹腔镜手术主操作手工作空间分析与轨迹规划

作为连接手动操作和虚拟手术场景的桥梁,主操作手可再现多种腹腔镜手术动作,在虚拟手术系统中发挥着重要的作用。根据虚拟腹腔镜手术系统的应用需求,设计研发了一种6自由度被动式串联结构主操作手;通过运动学运算求得主操作手正运动学模型,在Matlab软件中对主操作手进行工作空间、轨迹规划分析;根据三维电磁跟踪系统采集的位置信息,对主操作手的运动学性能进行了定量与定性分析。结果表明,主操作手参数设计合理、运动学模型正确,工作空间分析与轨迹规划仿真结果满足虚拟腹腔镜手术的作业需求,为虚拟腹腔镜手术系统和主操作手的运动控制与术前手术规划奠定了基础。     

6-PSS并联机构误差分析及标定

为提高6-PSS并联机构的运动精度,需对其进行误差分析和标定研究。利用矢量法构建并联6自由度机构的误差模型,根据MATLAB计算得到机构的误差源对动平台末端位姿影响的灵敏度。对机构进行误差综合分析,结合运动学正解和逆解,提出一种新的基于机构坐标轴姿态约束的运动学标定方法。根据测量初始值,利用标定算法解算得到机构的标定值。借助外部检测设备测量得机构标定前和标定后的位移和角度误差,标定后位移误差由10mm减小到1mm,角度误差由0．3°减小到0．1°。以实际测量数据验证了该标定方法的有效性和正确性,并最终提高了并联机构的运动精度。     

基于LabVIEW的雕刻机器人标定测试系统仿真研究

由于机器人构件的结构参数及运动学参数影响了机构的定位准确度与精度,因此通过运动学标定来提高混联式雕刻机器人的加工精度。使用光栅尺等传感器测量位置坐标,基于LabVIEW设计了该机器人的标定测试系统,将传感器输出的TTL信号转化为位移量,采用最小二乘法对系统中MATLAB脚本节点进行参数识别,然后计算刀尖点的中心位置坐标补偿量,并在测试界面对比了标定前后的位置误差。实验表明,标定后的标准误差变化了4.28%,均方根误差减小了30.48%,最大误差减小了22.30%,通过运动学标定提高了机器人的定位精度。     

基于远心机构的主操作手建模与仿真研究

针对泌尿外科微创手术机器人的末端执行器如何在有限空间中完成给定任务,以提高泌尿外科微创手术的安全性问题,对其主操作手的运动学和工作空间进行了研究。根据泌尿外科微创手术特点和技术要求,基于远心机构,设计了具有6个自由度主操作手,用于控制该手术机器人的末端执行器;采用修正后的D-H参数法,建立了运动学模型,求得了主操作手的末端空间位置与各关节变量之间的函数关系和运动学逆解;利用Matlab和ADAMS软件对主操作手进行了运动学和理论工作空间仿真,并进行了结果对比分析。研究结果表明:该主操作手结构设计合理、模型建立准确、灵活度高,可以完成给定手术任务。     

平面两自由度并联机构运动学标定研究

提出一种平面两自由度并联机构，由运动学分析得出机构的运动学解析解，针对该机构提出了一种运动学标定的新方法。与传统的并联机构运动学标定方法不同，该方法无需测量末端执行装置的全部位置和姿态，只需测量末端执行装置在工作空间内的一系列位移量；通过使用万能工具显微镜作为检测工具，从而无需额外安装位移传感器。建立了使得距离测量误差平方和最小的非线性规划数学模型，并通过MATLAB软件的优化工具箱进行求解。实验证明了该方法的有效性，并得出了机构运动学参数的最优值。实验结果表明，标定后机构精度明显提高，标定方法可靠。     

基于遗传算法与最小最大优化方法的六自由度放疗床参数辨识方法

为了对放疗床进行结构标定,以提高放疗床的定位精度,提出了一种遗传算法与最小最大优化方法相结合的参数辨识方法。根据机构的运动学逆解建立了放疗床的标定模型;结合遗传算法与最小最大优化方法的优点对放疗床的60个参数进行参数辨识,有效减小了目标函数的残差;以激光跟踪仪作为测量工具,对若干组任意位姿进行绝对定位精度实验和重复定位位置精度实验,以验证参数辨识结果。实验结果表明,经过标定后放疗床的绝对定位精度的位置误差小于0.3mm,姿态误差小于0.1°;重复定位位置精度的位置误差小于0.01mm。故所提出的参数辨识方法能够实现对放疗床的标定,且标定精度能够满足放疗床的使用要求。     

一种利用位置误差模型的机器人位姿标定方法

针对机器人位姿标定模型中位置和姿态数据的权重不合理导致参数识别精度低甚至发散问题,给出一种直接基于末端位置坐标测量的机器人位姿标定方法,避免了位置和姿态数据量级不同对参数识别精度的影响。采用指数积方法,建立一种包含3点位置信息的机器人运动学模型。通过对运动学模型取微分,利用指数映射微分公式推导出机器人末端3点位置误差与几何参数误差之间映射关系的显示表达并给出参数误差识别方法。采用激光跟踪仪作为测量设备,以UR5机器人为标定对象进行运动学参数标定和验证试验。试验结果表明,机器人末端位置误差模和姿态误差模的平均值分别降低了90%和92%。     

基于最优测量结构选择的机械臂参数标定

测量仪器会产生随机误差,针对其引起测量位姿"再现"运动学参数误差能力差的问题,提出了一种基于最优测量结构选择的六自由度机械臂结构参数标定新方法。首先推导了相对于基坐标系的机械臂末端位置误差模型,然后采用一种基于任务优先级的机械臂轨迹规划方法,以轨迹点的期望位置与标定后实际运动位置间的最大误差优化到最小为目标,选择了最优测量结构组。最后搭建了运动学参数标定实验平台,分别利用选择的随机和最优测量结构组辨识参数误差,并对规划点进行了补偿。通过对比分析标定前后3个坐标轴方向的位置均方根误差、合成位置误差及合成均方根误差可知,采用最优测量结构组标定的结构参数更为有效地提高了机械臂的末端定位精度。