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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

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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

基于GPS/INS组合导航的轨迹补偿方法研究

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基于GPS/INS组合导航的轨迹补偿方法研究

作者：谢永强吉林大学

学位级别：硕士

随着车联网与智能汽车技术的发展,车辆定位技术成为研究热点。现阶段的车载导航系统主要是全球定位系统(Global Positioning System),该系统具有实时、全天候、精度高等优点,但在城市建筑群、隧道、林荫密集带等卫星被遮蔽的环境下会受... 详细信息

随着车联网与智能汽车技术的发展,车辆定位技术成为研究热点。现阶段的车载导航系统主要是全球定位系统(Global Positioning System),该系统具有实时、全天候、精度高等优点,但在城市建筑群、隧道、林荫密集带等卫星被遮蔽的环境下会受到影响,严重时无法定位,因此需要采用其他的定位技术辅助GPS系统定位。本文采用捷联惯性导航技术(Strapdown inertial navigation technology)辅助GPS系统,对GPS盲区的轨迹进行补偿,主要的研究工作如下:本文首先介绍了车辆盲区定位的背景及意义,对现有的导航定位技术、组合导航定位技术、微机电系统技术(Micro-Electro-Mechanical Systems)、数据融合技术的研究现状做详细的介绍。对于GPS系统,主要分析了GPS系统工作的原理、结构及误差;对于惯性导航系统,介绍了常用的地理参数,坐标系及坐标系间的转换,分析了惯性导航的解算原理,并对误差源进行了归纳。基于文中第二章对惯性导航的分析,在MATLAB环境中,完成了对轨迹和惯性器件的仿真。轨迹的仿真主要包括真值轨迹、盲区轨迹、GPS轨迹的仿真。利用真值轨迹产生的理想的比力信息及角速度信息,并人为的注入惯性器件误差达到模拟惯性器件的目的。通过盲区的惯性导航的误差可以看出,随着时间的积累,误差越来越大,因此需要通过GPS定位及数据融合算法降低累积误差。然后分析了GPS/INS组合导航系统的组合方式及工程的可实现性,并选定松组合导航系统的组合方式。基于文中对惯导误差的分析,推导了组合导航系统误差模型,并基于误差模型建立了组合导航系统的状态方程和量测方程。然后对组合导航系统的数据融合算法进行研究。由于组合导航系统的系统模型是非线性的且系统中存在噪声,会影响系统的定位精度,严重时使结果发散。可以从近似非线性函数和高斯概率密度函数两个角度分别对系统模型进行处理。本文通过扩展卡尔曼滤波算法(Extended Kalman Filter)对系统模型线性化,来完成对非线性系统的状态的近似,最终得到状态的输出值;通过无迹卡尔曼滤波算法(Unscented Kalman Filter)对非线性组合导航系统的概率密度分布进行近似,用一定数量确定的样本来逼近状态后验概率密度,但是对于系统状态维数较高的系统,UKF算法中的协方差可能出现非正定的情况,从而无法保证滤波算法数值的稳定性。为了解决这一问题,本文研究了CKF算法。通过非线性函数对容积点重新计算,得到一组新的容积点集,然后加权求和来近似状态后验均值和协方差。在MATLAB中使用m语言完成上述系统模型和滤波算法,通过分析对比盲区时段位置、速度和姿态误差的最大值及计算轨迹全程的均方根误差值,分析结果表明,CKF算法具有更高的导航精度。

关键词：智能交通组合导航系统轨迹发生器轨迹补偿数据融合

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IMD膜片三维激光切边轨迹补偿系统研究

IMD膜片三维激光切边轨迹补偿系统研究

作者：罗亮浙江工业大学

学位级别：硕士

为追求产品外观美感,由IMD薄膜制备的模塑产品多采用曲面造型,而传统冲切工艺在切割复杂造型的IMD膜时却无能无力,此外传统冲切很难适应当代个性化小批量生产的要求,因此需寻找一种柔性的切边工艺。而三维激光切割机器人既可完成复杂切... 详细信息

为追求产品外观美感,由IMD薄膜制备的模塑产品多采用曲面造型,而传统冲切工艺在切割复杂造型的IMD膜时却无能无力,此外传统冲切很难适应当代个性化小批量生产的要求,因此需寻找一种柔性的切边工艺。而三维激光切割机器人既可完成复杂切割轨迹又可快速变换切割路径以不适应不同膜片的切边需求而又不会增加额外成本。而在三维激光IMD膜片切边试验中发现成型膜片自身存在的翘曲回弹等形变会导致激光焦点偏离膜片、膜片表面能量分布不均、膜片发黄烧焦或切不透等现象发生。为解决该问题,本文引入膜片变形量反馈系统,通过CCD相机捕捉模拟加工时激光双光斑中心距大小计算膜片形变量并据此对激光轨迹进行补偿。本文主要研究内容如下:（1）根据膜片形变影响激光切割的作用机理,设计反馈测量及轨迹补偿系统。试验发现三维激光根据离线程序切割膜片时会因成型膜片自身翘曲回弹等变形发生轨迹偏移、离焦量变动现象。为此设计反馈测量系统,其根据膜片上辅助激光和校准激光投影光斑中心距推算膜片形变量并据此补偿切割轨迹。（2）设计基于OpenCV的双光斑中心距提取算法。根据实际拍摄图片中有效光斑信息特征和常见干扰信息特征分析,设计基于OpenCV的激光光斑提取算法。通过图片预处理、图片效果增强、干扰亮斑排除、长轴提取等算法实现光斑中心距快速测量功能。（3）设计轨迹补偿控制模型。通过几何关系确定双光斑中心距与膜片形变处激光离焦量偏差之间的数学关系并根据三维激光机器人空间位置关系确定机器人各轴补偿量;又通过试验获取激光离焦量对切割质量的影响关系以及膜片激光切割离焦量允许误差范围;由此构建基于模糊算法的轨迹补偿控制模型。（4）通过成型IMD膜片切割试验验证轨迹补偿系统切割效果。试验利用切边工装对可逆形变进行恢复,利用补偿系统对翘曲回弹等小变形膜片进行轨迹补偿,提高了膜片激光切边成品率。本文创新点在于根据双光斑中心距反馈膜片形变并利用图像处理技术和模糊控制算法实现对形变膜片激光切割轨迹补偿,并设计出形变膜片激光切边处理方案。新的方案和轨迹补偿系统提高了IMD膜片激光切割成品率,这在生产实践中有着重要的意义。

关键词： IMD膜片双光斑离焦量形变膜片轨迹补偿

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车载机械臂轨迹规划与轨迹补偿方法研究

车载机械臂轨迹规划与轨迹补偿方法研究

作者：李勇吉林大学

学位级别：硕士

机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富。目前机器人技术的开发和研究正处于蓬勃发展阶段，实际工程中的机器人主要... 详细信息

机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富。目前机器人技术的开发和研究正处于蓬勃发展阶段，实际工程中的机器人主要有：工业机器人、海洋探测机器人、空间机器人、军用机器人、服务机器人等。在发达国家中，机器人技术已经在诸多领域得到广泛应用，如：汽车电子行业、食品卫生工业、木质家具制造业、橡胶工业。车载机械臂属于一种具有高效、平稳、快速、精确的自动转载功能的液压驱动型机械臂，它主要转载任务是完成大载荷物体在该车与运输车之间的转载作业。传统搬运机械臂在实际工程中，不但耗费了大量的时间，而且转载精度不高。针对这种情况，提出了一种高效、平稳、快速、精确的自动转载方法。本文对车载机械臂系统进行了研究。根据车载机械臂构型的特点，分析机械臂正、逆运动学，研究自动转载轨迹，针对系统自动转载过程中的轨迹误差，研究了车载机械臂的轨迹补偿问题。全文的主要研究内容如下：论述了车载机械臂的研究现状，对国内外车载机械臂在机械臂领域进行综述。从车载机械臂构型分析中发现，它是一种较复杂，且同时含有旋转关节、回转关节和伸缩关节，而且伸缩关节具有强耦合性的机械臂。根据其构型特点、任务要求和作业环境的影响，对车载机械臂的自动转载进行研究。通过研究及分析车载机械臂的构型特点，建立车载机械臂运动学的数学模型。采用D-H参数法和齐次变换矩阵法推导车载机械臂的正运动学方程。基于不含吊具情况下的简化建模问题，采用D-H参数法得到正运动学方程;基于含吊具情况下的完整建模问题，采用齐次变换矩阵的方法获得一个完整的正运动学方程。由于车载机械臂结构复杂，关节之间存在耦合性，因此利用反变换法和混沌遗传算法求车载机械臂逆运动学解。反变换法能够准确的得到唯一的逆运动学解。基于完整的车载机械臂逆运动学问题，利用反变换法是无法得到逆运动学解的，因此采用混沌遗传算法，得到全局最优解。通过深入分析车载机械臂自动转载过程，将运动分为空间直线轨迹和空间圆弧轨迹，研究其轨迹规划。针对车载机械臂实际工程中的要求，运动轨迹在自动转载过程中，分成加速、匀速和减速阶段。根据笛卡尔空间的位姿，建立关节变量与时间的关系，驱动整个车载机械臂各个关节的运动，完成自动转载过程。基于车载机械臂负重产生微小变形量的问题，研究轨迹补偿。考虑到补偿有静态与动态之分，设计静态轨迹补偿及动态轨迹补偿。通过末端执行器位置和姿态，运用变分法处理，建立位置偏差和变形角度值的关系。针对静态轨迹补偿问题，利用传感器测量特殊位置点位置偏差，获得变形补偿角度值，补偿轨迹误差。针对动态轨迹补偿问题，根据挠度曲线近似方程，推导了挠度和转角的方程，建立变形量与挠度、转角的关系，得到实时变形补偿角度值，补偿运动轨迹误差。最后，总结了本文的工作。结合本人在车载机械臂系统运动学建模、轨迹规划、轨迹补偿方面的研究心得，以及对数学、物理、材料力学、控制理论的深入学习，对有待解决的问题进行了展望。

关键词：车载机械臂运动学混沌遗传轨迹规划多项式插值轨迹补偿

车载柔性机械臂轨迹规划及准静态变形补偿控制

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车载柔性机械臂轨迹规划及准静态变形补偿控制

作者：刘杰吉林大学

学位级别：硕士

随着科技的不断进步与发展，机器人技术在工业生产中得到了广泛的应用。然而，科技的发展与社会的需求也促使工业机器人本身需要提高。从最初的简陋工业机器人到复杂的智能工业机器人，再到如今的轻型化、快速化以及高精度化的全自动智... 详细信息

随着科技的不断进步与发展，机器人技术在工业生产中得到了广泛的应用。然而，科技的发展与社会的需求也促使工业机器人本身需要提高。从最初的简陋工业机器人到复杂的智能工业机器人，再到如今的轻型化、快速化以及高精度化的全自动智能工业机器人，工业机器人在不断的更新换代。就车载机械臂而言，其研究方向已经从车载刚性机械臂转向车载柔性机械臂。车载柔性机械臂与车载刚性机械臂相比，具有负载质量大、操作范围广、响应速度快、工作寿命长等优点，因此，车载柔性机械臂的研究与发展是车载机械臂领域的一个趋势。然而，车载柔性机械臂得到发展的同时，也遇到了诸多问题，如：车载柔性机械臂的期望目标点与实际目标点之间是否有偏差，柔性杆的变形等。车载柔性机械臂要想在实际工程中得到应用，上述问题必须得以解决，特别是转载大负载时柔性杆产生的弹性变形必须加以补偿。如果不加以补偿，将会影响到柔性杆末端位置的精度。所以，设计一种可靠的车载柔性机械臂的轨迹规划、轨迹补偿方法，变形补偿算法及控制方法，具有重要的理论意义与广阔的应用前景。本文针对车载柔性机械臂工作时期望目标点与实际目标点之间是否有偏差的情况及大负载引起的弹性变形问题，分别对该系统的轨迹规划、轨迹补偿及弹性变形补偿等问题做了相关研究。本文的主要研究内容与工作如下：首先，对车载柔性机械臂的系统模型进行了简单的描述，并给出了系统的结构简图。根据系统结构简图，应用D-H参数法建立了该系统的正运动学模型，然后由传统的反变换法得到了系统的逆运动学模型。运动学模型建立之后，根据拉格朗日法与假设模态法，对系统进行了动力学建模。其次，针对车载柔性机械臂期望目标位置与实际目标位置之间是否有偏差的情况，分别对系统进行了轨迹规划与轨迹补偿研究。首先，考虑系统期望目标点与实际目标点之间无偏差，将系统的整个转载周期分为七个子过程，每个子过程分解为水平转载与垂直提升或下放两个过程，然后根据笛卡尔空间与关节空间相结合的方法，对七个子过程中的水平转载过程用五次多项式插值法进行轨迹规划，垂直过程采用九段六次多项式插值法进行轨迹规划。其次，考虑系统期望目标点与实际目标点之间有偏差，结合正运动学公式与变分法，可以求出目标点位置误差引起的关节角补偿变量，然后求出补偿后的关节角变量，并在此基础上得到补偿后的关节角轨迹和末端位置轨迹。再次，大负载会使柔性杆产生弹性变形，该弹性变形会影响到末端位置的精度，因此，要想使柔性臂将负载准确地转载到期望目标点，弹性变形必须加以补偿。鉴于此，本文提出了一种有效的弹性变形补偿方法—基于期望关节角的准静态变形补偿。首先，根据假设模态法求出柔性杆的弹性变形，并根据此变形计算出需要补偿的期望关节角变量。其次，针对期望目标点与实际目标点之间是否有偏差的情况，分别对弹性变形进行了补偿。再次，针对系统中振动模态及其导数的不可测性，设计了观测器对其进行估计。最后，基于观测器设计了滑模控制器以实现对系统期望轨迹的跟踪。最后，对本文的研究内容进行了仿真验证，并做了几组对比：轨迹补偿前后对比、变形补偿前后轨迹跟踪效果对比、负载质量不同时轨迹跟踪效果对比。结果表明了本文所提出的轨迹规划、轨迹补偿及变形补偿方法是有效的。文章最后对全文做了工作总结，并且对下一步的研究内容做出了展望。

关键词：车载柔性机械臂轨迹规划轨迹补偿准静态变形补偿观测器滑模控制

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滑道约束型链传动系统的优化及轨迹补偿

天津理工大学学报 2014年第2期30卷 5-9页

作者：李小娟洪林杜冰天津理工大学机械工程学院天津300384

多边形效应是链传动系统的固有特性,也是制约其传动性能的主要因素,本文针对一种重载输送链-滑道式约束链传动,应用MATLAB的优化工具箱对其结构进行了优化计算,基于对运动传递过程中多边形效应的分析,提出了一种补偿方案,并进行了轨迹仿... 详细信息

多边形效应是链传动系统的固有特性,也是制约其传动性能的主要因素,本文针对一种重载输送链-滑道式约束链传动,应用MATLAB的优化工具箱对其结构进行了优化计算,基于对运动传递过程中多边形效应的分析,提出了一种补偿方案,并进行了轨迹仿真,仿真结果显示,该补偿方法可以有效减轻链传动多边形效应的影响,提高了链输送系统的传动性能.

关键词：滑道约束型链传动结构优化多边形效应轨迹补偿

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基于神经网络的测量数据实时轨迹补偿方法

今日自动化 2021年第7期 118-119页

作者：吴庭贵广东科杰机械自动化有限公司广东江门529000

目前针对轮廓、倒边的制作过程,因为受到诸如夹持情况下的不均匀受力等的外力影响,极易发生轮廓扭曲。加工的标准是在规定的范围内确定每次的切割量,不然就会导致不均匀的倒角宽度。文章分析的实时轨迹补偿方式是实现测量数据基础上的,... 详细信息

目前针对轮廓、倒边的制作过程,因为受到诸如夹持情况下的不均匀受力等的外力影响,极易发生轮廓扭曲。加工的标准是在规定的范围内确定每次的切割量,不然就会导致不均匀的倒角宽度。文章分析的实时轨迹补偿方式是实现测量数据基础上的,首先测量计算测量点位置形变,通过获取的测量点位置神经训练模型和形变量。是一种基于测量数据实现实时轨迹补偿的方法,将轨迹点在理论轨迹上的位置引入神经网络模型,轨迹点位置的变形量等同于输出函数值,通过叠加变形量和理论轨迹获取具体位置量,该方法可以有效地避免轨迹的拐点,易于得到补偿值,更加准确反映工件变形量。

关键词：数控加工测量数据轨迹补偿

磁力研磨ZrO_2材料轨迹一致性(均匀性)试验研究

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制造技术与机床 2019年第3期 124-128页

作者：姜林志张桂香秦璞梁伟张鹏滕潇梁久平山东理工大学机械工程学院山东淄博255049

磁力研磨加工ZrO_2陶瓷材料时,主轴磁极沿X轴或Y轴的一次性进给往往不能保证所加工过的工件表面材料的一致性(均匀性)。故依据工件材料的长与宽设计出加工参数,采用环形线的方式沿X轴或者Y轴一次性进给,能大大提高材料表面的一致性(均匀... 详细信息

磁力研磨加工ZrO_2陶瓷材料时,主轴磁极沿X轴或Y轴的一次性进给往往不能保证所加工过的工件表面材料的一致性(均匀性)。故依据工件材料的长与宽设计出加工参数,采用环形线的方式沿X轴或者Y轴一次性进给,能大大提高材料表面的一致性(均匀性)。数控代码程序可以自动地进行刀具补偿,运行可靠,可成功地应用于ZrO_2陶瓷材料轨迹的研磨。

关键词：磁力研磨 ZrO2陶瓷材料均匀性轨迹补偿

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机器人砂带打磨系统的轨迹及打磨力控制研究

机器人砂带打磨系统的轨迹及打磨力控制研究

作者：俞烨华南理工大学

学位级别：硕士

通过机器人砂带打磨系统,不仅需生成高效的打磨轨迹,还需保证工件的尺寸精度和表面质量,故有必要针对机器人砂带打磨系统展开研究。本文针对机器人砂带打磨系统,从打磨轨迹规划与优化、轨迹补偿、打磨恒力控制三方面展开了研究,同时,通... 详细信息

通过机器人砂带打磨系统,不仅需生成高效的打磨轨迹,还需保证工件的尺寸精度和表面质量,故有必要针对机器人砂带打磨系统展开研究。本文针对机器人砂带打磨系统,从打磨轨迹规划与优化、轨迹补偿、打磨恒力控制三方面展开了研究,同时,通过搭建相应的实验平台来实现并验证算法的可行性。为了生成针对复杂曲面工件的机器人打磨轨迹,对打磨轨迹规划和优化算法进行了研究。通过工件三维模型提取出待加工曲面的数据;对刀路插补方法进行优化,并用该方法生成打磨刀路的刀位点,避免了工件的过切现象;提出了基于等参数线法和等残留高度法的行切刀路生成算法,避免了相邻刀路间的相交和边界问题;根据刀位点坐标系、刀具坐标系和机器人基坐标系之间的关系,利用刀位点信息生成机器人打磨轨迹;针对可能发生的机器人关节角变化幅度过大及打磨碰撞问题,提出了基于递归法的机器人打磨轨迹优化算法。为了降低由于机器人绝对定位精度导致的打磨轨迹偏差,对机器人打磨轨迹补偿算法进行了研究。利用改进的机器人结构模型,构建了基于映射关系的六自由度机器人误差模型,并通过该误差模型分析了机器人位置与位置误差之间的空间相似性;考虑到机器人工作空间内存在的空间相似性,提出了基于协同克里金空间插值法的打磨轨迹补偿算法,并用半变异函数减少了算法的运算量;利用MATLAB进行了补偿算法仿真实验,在理论仿真层面证明了打磨轨迹补偿算法的可行性。为了提高机器人砂带打磨的加工质量,针对末端夹持工件的六自由度机器人砂带打磨平台,对机器人砂带打磨恒力控制算法展开了研究。对机器人末端工件和砂带轮之间的接触力进行分析,简化并验证了打磨法向力和切向力之间的关系;通过简化关系以及打磨力与传感器坐标系上力的映射关系,建立了一维力传感器上接收的力与打磨接触力之间的关系;探讨了打磨时形变和打磨深度的关系,并建立了基于变形的机器人砂带打磨动力学模型;考虑到砂带打磨力的非线性和不确定性,提出了基于自适应滑模迭代算法的打磨力控制算法,并证明了算法的稳定性。为了验证算法的有效性,搭建了相应的实验平台,并围绕相应算法设计了三类实验。仿真和打磨实验结果表明,轨迹规划和优化算法能够生成高效、关节角变化小且无碰撞的打磨优化轨迹;补偿算法能够降低打磨轨迹偏差,进而提高工件的尺寸精度;打磨恒力控制算法能将打磨力控制在一定范围内,提高工件的表面质量,从而验证了相应算法的可行性。

关键词：机器人砂带打磨轨迹规划与优化轨迹补偿打磨力控制