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铣削机器人标定技术及位姿优化方法研究

铣削机器人标定技术及位姿优化方法研究

作者：薛祥儒山东大学

学位级别：硕士

相比传统数控机床而言,具有灵活性高、工作空间范围大以及可加工对象广泛等优点的工业机器人越来越多被应用到机械加工领域。但机器人铣削目前只集中应用在轻负载、精度适中的场合,制约机器人铣削广泛应用的主要原因为机器人绝对定位精... 详细信息

相比传统数控机床而言,具有灵活性高、工作空间范围大以及可加工对象广泛等优点的工业机器人越来越多被应用到机械加工领域。但机器人铣削目前只集中应用在轻负载、精度适中的场合,制约机器人铣削广泛应用的主要原因为机器人绝对定位精度较低以及机器人本身的刚性较弱,在铣削加工过程中容易受到外力而发生较大的变形,导致加工精度难以达到要求。本文通过机器人标定技术以及位姿优化方法来提高机器人铣削加工的精度,改善加工质量。本文首先根据D-H方法建立了机器人的运动学模型,并使用Pieper准则对机器人的逆运动学问题进行了求解。采用微分变换方法完成对机器人雅可比矩阵的求解,对机器人的运动学性能,如奇异性、灵巧性进行了分析。然后通过分级标定技术来提高机器人的绝对定位精度。首先分析了机器人的误差来源,在考虑减速比和耦合比的基础上建立了机器人几何参数误差模型。之后通过两个阶段对机器人误差进行了辨识补偿,第一阶段通过LM(Levenberg-Marquarelt)算法辨识出机器人的几何参数误差并计算出剩余残差,第二阶段通过建立基于粒子群-支持向量回归(PSO-SVR)算法的剩余误差预测模型,来预测并补偿修正几何参数后剩余的残留误差。最后,以六自由度工业机器人进行试验验证,机器人末端中心点的平均位置误差由5.866mm减少到0.2116mm,验证了该标定算法的正确性和有效性。本文最后提出了一种机器人加工姿态优化方法来提高加工过程中的刚度性能。首先建立了机器人的静刚度模型,在模型的基础上进行了机器人关节刚度的辨识。提出了一种考虑机器人刚度补偿矩阵Kc的变形指标ID来评价机器人加工轨迹的刚度性能。并以最小化变形指数ID为目标,在考虑运动学约束的情况下,建立机器人姿态优化模型,并提出了一种离散Dijkstra优化方法来求解该模型的全局最优解。最后,通过在MOTOMAN-ES165D机器人上的一系列仿真和实验来验证姿态优化方法的有效性。

关键词：机器人标定粒子群-支持向量回归算法机器人铣削变形指标位姿优化

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一种基于EIH的装配机器人标定方法

机械工程学报 2018年第7期54卷 38-44页

作者：李兵傅卫平王雯杨世强西安理工大学机械与精密仪器工程学院

针对配置单目手眼相机(Eye in hand,EIH)的六自由度(Six degrees of freedom,6-DOF)串联装配机器人标定问题,提出了一种基于平面靶标的机器人标定方法。将平面靶标固定放置在工作台上,安装在机器人末端执行器处的EIH随机器人各关节依次... 详细信息

针对配置单目手眼相机(Eye in hand,EIH)的六自由度(Six degrees of freedom,6-DOF)串联装配机器人标定问题,提出了一种基于平面靶标的机器人标定方法。将平面靶标固定放置在工作台上,安装在机器人末端执行器处的EIH随机器人各关节依次转动,并拍摄靶标图像。利用ZHANG两步标定法对EIH进行标定,求出各拍摄位置处相机光心在靶面坐标系下的坐标。根据各关节单独运动时相机光心轨迹构成的圆,采用空间圆曲线拟合方法计算圆心坐标和转动关节轴线方向,并通过三焦张量约束优化各轴线方向,得到机器人各关节旋量。在此基础上,采用指数积建立机器人运动学模型。整个标定过程只需要一次安装,一组采集的标定图像。试验结果表明,该方法建立的机器人运动学模型简单有效。

关键词：机器人标定指数积 EIH 关节旋量三焦张量

面向机器人标定的单激光跟踪仪顺序多站式测量系统建模与分析

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计量学报 2020年第11期41卷 1313-1320页

作者：乔贵方孙大林温秀兰宋光明张颖宋爱国南京工程学院自动化学院江苏南京211167 东南大学仪器科学与工程学院江苏南京210096

为实现大型串联工业机器人的高精度标定,搭建了一种单激光跟踪仪的顺序多站式测量系统。该系统仅需单台激光跟踪仪,先后在不同的基站位置对工业机器人的末端位置进行独立测量,并基于多边测量方法计算机器人的末端位置。计算过程中仅需... 详细信息

为实现大型串联工业机器人的高精度标定,搭建了一种单激光跟踪仪的顺序多站式测量系统。该系统仅需单台激光跟踪仪,先后在不同的基站位置对工业机器人的末端位置进行独立测量,并基于多边测量方法计算机器人的末端位置。计算过程中仅需激光跟踪仪的距离信息,有效地优化了末端位置的测量不确定度。首先,建立了该测量系统的仿真模型,深入地分析了测量点的数量与分布形状、测量距离以及工业机器人定位精度等因素对系统测量精度的影响;然后,依据分析结果确定单激光跟踪仪顺序多站式测量系统的搭建方案。实验结果表明:该系统在2.5 m距离上的测量误差仅为0.023 mm,优于激光跟踪仪的测量精度,满足大型串联工业机器人参数标定的测量精度要求。

关键词：计量学激光跟踪仪顺序多站式机器人标定工业机器人

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机器人标定系统稳定性研究

工业控制计算机 2017年第3期30卷 80-81,84页

作者：苏成志种垒王承运 Huzaifa Khalid 刘响长春理工大学机电工程学院吉林长春130022

机器人标定是影响离线编程精度的关键因素之一。与传统的工业机器人标定方法相比,基于双PSD的标定方法能为准确地标定工业机器人关节零位偏差提供一种更有效的方法。在机器人基坐标系和PSD坐标系的空间关系未知时,双PSD标定系统稳定性... 详细信息

机器人标定是影响离线编程精度的关键因素之一。与传统的工业机器人标定方法相比,基于双PSD的标定方法能为准确地标定工业机器人关节零位偏差提供一种更有效的方法。在机器人基坐标系和PSD坐标系的空间关系未知时,双PSD标定系统稳定性要求严格的数学证明。通过设计一个基于Lyapunov函数的自适应算法,可以在线估计出机器人基坐标系和PSD坐标系之间关系;并证明了激光光斑能够稳定到双PSD平面上的理想位置,理论最终被仿真实验所验证。

关键词：机器人标定双PSD 关节零位偏差自适应算法

基于相对误差模型与轨迹补偿的工业机器人标定研究

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基于相对误差模型与轨迹补偿的工业机器人标定研究

作者：马磊武汉工程大学

学位级别：硕士

目前市场上有着各种品牌的工业机器人,它们都具有一个显著的缺点:机器人的重复定位精度高,绝对定位精度低。工业机器人具有可编程、通用性高、效率高等特点,可应用于多个领域,包括激光切割、喷涂、焊接、搬运、组装、检测等。随着现代... 详细信息

目前市场上有着各种品牌的工业机器人,它们都具有一个显著的缺点:机器人的重复定位精度高,绝对定位精度低。工业机器人具有可编程、通用性高、效率高等特点,可应用于多个领域,包括激光切割、喷涂、焊接、搬运、组装、检测等。随着现代制造业的发展,在实现自动化的过程中,工业机器人发挥着不可替代的重要作用。因此工业机器人的定位精度变得尤为重要,在使用机器人之前需要对机器人本体进行标定,提升机器人末端的定位精度。本文提出了一种基于相对误差模型和轨迹补偿的六轴机器人标定的方法,通过机器人末端装夹NON-BAR激光测量设备,在工作空间中以不同姿态测量同一点处标准玻璃球的位置,取多个不同固定点处的数据,建立相对误差模型求解机器人本体的运动学参数误差,然后将得到的误差结果通过轨迹补偿的方式应用于实际机器人中。基于上诉方案,本文对以下几个关键问题做了研究:（1）基于NON-BAR测量设备的机器人本体误差测量。本文将NON-BAR测量的偏移值和机器人本身的关节角作为测量数据标定六轴机器人本体误差。通过夹具将NONBAR感应测头装夹在机器人法兰盘末端,控制机器人运动,在不同姿态下测量空间中固定标准玻璃球的偏移值。（2）机器人相对误差模型建立与参数求解。本文以DH模型为基础建立机器人的运动参数模型,将NON-BAR的感应测头作为第七关节加入机器人运动学模型中,根据NON-BAR测量偏移值这一特性建立相对误差模型,再通过最小二乘法求解参数误差。（3）基于轨迹补偿的标定结果补偿方案。由于机器人不开放所有运动学参数的修改权限,因此本文提出了一种通过轨迹补偿的方式修正机器人本体误差的方案,此方案借助机器人离线编程软件,将求解得到的参数误差先补偿到仿真机器人模型中,再通过补偿后的机器人模型反解得到新的关节角,再将新的关节角代入原始机器人模型中,得到修正后的轨迹指令,然后将修正后的轨迹指令输入实际机器人中,以此到达提升机器人末端轨迹精度的目的。

关键词：机器人标定 NON-BAR测量设备相对误差模型轨迹补偿

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一种灵巧作业机器人的设计与标定方法

一种灵巧作业机器人的设计与标定方法

作者：林鹏大连理工大学

学位级别：硕士

智能制造2025战略的提出以及我国老龄化问题的涌现,给应用于家庭及服务领域的灵巧作业机器人带来技术支持与应用空间。灵巧作业机器人主要通过全向移动底盘、机械臂、云台、升降机构以及各种传感器的有机结合,配套智能算法进行自主移动... 详细信息

智能制造2025战略的提出以及我国老龄化问题的涌现,给应用于家庭及服务领域的灵巧作业机器人带来技术支持与应用空间。灵巧作业机器人主要通过全向移动底盘、机械臂、云台、升降机构以及各种传感器的有机结合,配套智能算法进行自主移动、目标识别以及智能抓取,为老人和残疾人提供端水、开灯等服务,辅助他们完成日常生活和工作,本文对灵巧作业机器人系统及其标定方法进行研究,主要研究内容如下:首先,对灵巧作业机器人系统进行设计,包括机器人结构设计、控制系统设计（软件、硬件）及辅助系统设计。机器人结构设计主要根据功能需求制定设计方案和设计参数,并结合加工工艺与强度分析设计零部件;控制系统设计分为软件与硬件两部分,控制系统硬件部分主要介绍了系统组成及控制方案,软件部分概述了机器人整体与机械臂的软件框架,并针对显示模块和电源模块部分,对机器人的辅助系统进行设计。其次,对机器人进行运动学及工作空间分析,包括全向移动底盘运动学的数学建模,为机器人的精准控制提供了理论基础;对四轴机械臂进行正逆运动学分析及工作空间分析;将全向移动底盘、二级升降以及四自由度机械臂看作类斯坦福臂,并建立D-H参数表,利用蒙特卡洛法通过Matlab求解工作空间,最后在虚拟仿真软件（V-REP）中,对机械人的工作空间进行仿真验证,为后续控制以及抓取提供理论依据。然后,基于灵巧作业机器人实验样机,进行机器人里程计以及机械臂的误差标定实验。基于全向移动机器人运动学参数修正,来实现机器人的里程计标定,先根据运动学模型获得机器人位姿递推公式,再基于多元线性方程的最小二乘法获得运动学参数的估计值的表达式,实验过程中,通过视觉传感器获得机器人的位姿信息,经过多次实验获得运动学参数估计值,并通过实验验证,标定后的机器人里程计信息更准确;基于轴线测量法对机械臂的D-H参数进行标定,先通过机械臂单轴运动,并基于视觉测量的方法获取机械臂末端标签位置,再通过空间圆拟合及最小二乘法获得辨识的D-H参数,将辨识结果写入控制器,以初始点为基准,比较标定前后末端位置与基准的差值来验证标定效果,通过标准差、均值和最大值的分析,证明了标定后的定位精度更准。最后,进行移动机器人的导航、机械臂的轨迹规划以及整机的实验,融合多传感器及多个子系统的协调配合对机器人进行功能验证。实验中通过设置不同的场景、不同的任务以及不同的干扰,验证了机器人整体结构的稳定性、控制系统的精确性以及导航、规划算法的智能性。

关键词：灵巧作业机器人运动学机器人标定轨迹规划

基于便携关节式坐标测量机的机器人标定技术研究

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基于便携关节式坐标测量机的机器人标定技术研究

作者：刘士达合肥工业大学

学位级别：硕士

在现代化工业进程日趋完善、科技发展日新月异的今天,高端装备制造业正逐步向着自动化和智能化的方向迈进。工业机器人凭借其高自动化、智能化和高效率等特点,在现代工业生产中发挥着越来越重要的作用。本研究在国家自然科学基金“机器... 详细信息

在现代化工业进程日趋完善、科技发展日新月异的今天,高端装备制造业正逐步向着自动化和智能化的方向迈进。工业机器人凭借其高自动化、智能化和高效率等特点,在现代工业生产中发挥着越来越重要的作用。本研究在国家自然科学基金“机器人多参数辨识创新理论与提高绝对定位精度的校准系统研究”（项目编号:51875165）项目的支持下,主要对基于便携关节式坐标测量机的机器人标定技术展开了系统研究。本文的研究内容如下:（1）建立机器人运动学参数模型。基于UR5型工业机器人的机械结构及工作特点,建立基于D-H模型的工业机器人运动学参数模型,同时分析影响机器人精度的误差源并建立误差模型。（2）推导机器人参数标定模型。推导基于坐标转换的机器人单点误差标定模型,首先通过公共基准点法将机器人的基坐标系转换到便携关节式坐标测量机的基坐标系上,再基于便携关节式坐标测量机的基坐标系建立基于单点误差的机器人参数标定模型。（3）参数辨识方法研究。介绍了解决实际工程中非线性最小二乘问题时常用的高斯-牛顿算法和LM算法的基本原理和步骤,并用MATLAB软件对机器人误差标定模型进行参数辨识的仿真实验。（4）基于便携关节式坐标测量机的机器人标定实验研究。首先,介绍了用于实验的便携关节式坐标测量机的机械结构、建模方法及相关软件等;然后,搭建了基于便携关节式坐标测量机的机器人标定实验平台;最后,对本文介绍的误差标定模型进行实验验证,并对实验结果进行对比分析。

关键词：机器人标定便携关节式坐标测量机参数标定模型标定实验

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基于视觉的AUBO机器人标定方法研究

基于视觉的AUBO机器人标定方法研究

作者：曹继项长安大学

学位级别：硕士

工业机器人在轻载、高速、高精度等行业应用的日益广泛,尤其是六自由度工业机器人在3C行业装配、点胶、切割、航空制造等高精度行业的普及,对工业机器人末端的定位精度提出了更高的要求,研发具有自主知识产权的工业机器人标定方法具有... 详细信息

工业机器人在轻载、高速、高精度等行业应用的日益广泛,尤其是六自由度工业机器人在3C行业装配、点胶、切割、航空制造等高精度行业的普及,对工业机器人末端的定位精度提出了更高的要求,研发具有自主知识产权的工业机器人标定方法具有极其重要的意义。本文以六自由度AUBO工业机器人为实验对象,以提高末端定位精度为目标,采用几何参数和综合误差补偿法对末端定位精度进行标定,并进行标定试验。针对现有测量方法的不足,提出基于视觉的测量方法,建立了AUBO机器人的运动学模型,推导了末端位姿与相邻坐标系之间的数学关系,用数学解析法获得了AUBO机器人逆解,采用MATLAB机器人工具箱建立仿真模型,仿真结果和示教器的位置与姿态完全一致,验证了所建立模型的正确性及逆解求解结果的正确性。针对张氏相机标定法检测精度不足的问题,提出改进的亚像素张氏标定法,并用标准棋盘格进行对比试验,实验结果显示相机标定精度提高0.12个像素,验证了所提方法测量的高精度性;采用Eye-in-hand的手眼固定方式,建立了机器人手眼标定的基本方程,采用矩阵直积法获得了手眼标定矩阵;为辨识机器人几何参数,进行了机器人的位置测量实验,采用最小二乘法辨识出了机器人的运动学参数,通过激光跟踪仪基于距离误差模型验证了视觉标定方法的可行性及精度较高的优势。针对末端定位误差产生的复杂性及运动学标定的局限性,提出基于BP法来进行末端综合误差的预测及补偿,在此基础上采用PSO-BP网络的末端位姿的预测及补偿算法,并在MATLAB建立了末端位姿的预测及补偿仿真模型,仿真结果表明末端位置的平均距离误差由标定前的0.635mm提高到标定后的0.294mm,其精度提高了53.7%,证明了该标定方法的正确性与可行性。该研究为机器人几何参数及综合误差的标定提供一种参考方法。

关键词：机器人标定视觉手眼标定激光跟踪仪 PSO-BP算法

一种三维位置检测装置的研究及其在串联机器人标定上的应用

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一种三维位置检测装置的研究及其在串联机器人标定上的应用

作者：汤泽旭哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着工业、制造业等领域快速发展,各种设备的研制和生产更加迫切需要先进的检测技术。在检测技术研究领域中,三维位置检测技术具有重要地位,其以机械结构为基础,集诸多技术为一体,通过检测设备获取被测对象三维位置坐标,进而实现多种测... 详细信息

随着工业、制造业等领域快速发展,各种设备的研制和生产更加迫切需要先进的检测技术。在检测技术研究领域中,三维位置检测技术具有重要地位,其以机械结构为基础,集诸多技术为一体,通过检测设备获取被测对象三维位置坐标,进而实现多种测量功能。本文以此为背景,研制一种新型的三维位置检测装置,并以本实验室的微创腹腔手术串联机器人为测量对象,实现对其末端位置测量,在此基础上,对机器人的运动学模型参数标定和运动特性测量进行研究。为同时满足高精度、低成本的测量要求,提出以拉线传感器为基础的三维位置检测装置总体设计方案,通过考虑尽可能减弱复杂机构加工、装配误差影响,设计以过线座构件和回零构件为主体的简化装置机构;使用空间解析几何法和海伦定理法建立两种位置坐标计算数学模型,并确定模型非线性方程组求解方法,进而分析检测装置测量空间;完成装置元器件选型,并搭建装置硬件平台,在此基础上,使用LabVIEW软件编写装置设有的多种测量功能程序,并为用户提供良好的人机交互界面。以检测装置测量实时性为出发点,优选出装置位置坐标计算数学模型;通过实验对检测装置进行误差分析,并对其本体机构和精度测试方法进行改进,提升装置测量精度;以位置坐标计算数学模型为基础,建立装置结构参数误差模型,从而设计自标定实验,并完成参数误差辨识和数学模型修正工作;对自标定前后装置测量精度进行对比实验,由结果知标定后装置相对误差降低至0.5307%;最后进行不同布局检测装置测量精度对比实验,以验证四路拉线传感器布局的优越性。分析三维位置检测装置对微创腹腔手术串联机器人运动学标定的可行性和面临的关键性问题;在机器人正运动学模型的基础上,建立用于运动学标定的绝对误差模型和距离误差模型,并使用MATLAB对模型正确性进行仿真验证;研究机器人标定后运动补偿方法,为其标定后准确运动提供补偿策略。研究检测装置测量附带力,设计实验方法辨识出拉线传感器附带力与伸长量变化关系,为实时显示被测对象受力情况而建立装置测量附带力模型,并分析力可能产生的影响;搭建手术机器人运动学标定实验平台,利用实验结果修正运动学模型,经实验测试机器人运动精度明显提升;设计检测装置动态测量功能,并进行机器人运动距离、速度和加速度测量实验,以检验功能的可行性。

关键词：拉线传感器位置检测误差分析机器人标定动态测量