工业机器人运动学标定及误差分析(精)
工业机器人运动学标定及误差分析
运动学标定是机器人离线编程技术实用化的关键技术之一,也是机器人学的重要内容,在机器人产业化的背景下有十分重要的理论和现实意义。机器人运动学标定以运动学建模为基础,几何误差参数辨识为目的,为机器人的误差补
偿提供依据。工业机器人在以示教方式工作时,以重复精度为主要指标;在以离
线编程方式工作时,主要工作指标变为绝对精度。但是,工业机器人重复精度较
高而绝对精度较低,难以满足离线编程工作时的精度,所以需要进行运动学标定
来提高其绝对精度。随着机器人离线编程系统的发展,工业机器人运动学标定日益重要。本文首先综合分析了工业机器人运动学标定的一些基本理论,为之后的运动学建模和标定提供理论基础。根据ABB IRB140机器人实际结构,本文建立
了D-H运动学模型,并讨论了机器人的正运动学问题和逆运动学问题的解;然后
指出了该模型在标定中存在的缺陷,结合一种修正后的D-H模型建立了本文用于标定的模型。并根据最终建立的运动学模型建立了机器人几何误差模型。本文
还在应用代数法求解机器人逆运动学问题的基础上,进行了应用径向基神经网络求解机器人逆解的研究。该方法结合机器人正运动学模型,以机器人正解为训练样本训练经遗传算法优化后的径向基神经网络(GA-RBF网络),实现从机器人工
作变量空间到关节变量空间的非线性映射,从而避免复杂的公式推导和计算。本文在讨论了两种构造机器人封闭运动链进行运动学标定的方法的基础上,提出了一种新的机器人运动学标定方法——虚拟封闭运动链标定法。并对该方法的原理、系统构成进行了详细的分析和说明。该方法通过一道激光束将末端位置误
差放大在观测平板上,能够获得更高精度的关节角的值,从而辨识出更为准确的
几何参数。为了验证本文提出的虚拟封闭运动链标定方法的有效性和稳定性,本文以ABB IRB140机器人为研究对象,利用有关数据进行了仿真分析,最终进行了标定试验,得出结论。
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puma250机器人运动学分析
焊接机器人运动分析 摘要：针对puma250焊接机器人，分析了它的正运动学、逆运动学的问题。采用D-H坐标系对机器人puma250 建立6个关节的坐标系并获取D-H 参数，并对其运动建立数学模型用MATLAB编程，同时仿真正运动学、逆运动学求解和轨迹规划利用pro-e对puma250建模三维模型。 关键词：puma250焊接机器人；正逆解；pro-e；Matlab；仿真 一、建立机器手三维图 Puma250机器人,具有6各自由度，即6个关节，其构成示意图如图1。各连杆包括腰部、两个臀部、腕部和手抓。设腰部为1连杆，两个臀部分别为2、3连杆，腰部为4连杆，手抓为5、6连杆，基座不包含在连杆范围之内，但看作0连杆，其中关节2、3、4使机械手工作空间可达空间成为灵活空间。1关节连接1连杆与基座0,2关节连接2连杆与1连杆，3关节连接3连杆与2连按，4关节连接4连杆与3连杆，5关节连接5连杆与4连杆。各连杆坐标系如图 2 所示。
图1 puma250 机器人二、建立连杆直角坐标系。
三、根据坐标系确定D-H表。 四、利用MATLAB 编程求机械手仿真图。>>L1=Link([pi/2 0 0 0 0],'standard'); L2=Link([0 0 0 -pi/2 0],'standard'); L3=Link([0 -4 8 0 0],'standard'); L4=Link([-pi/2 0 8 0 0],'standard'); L5=Link([-pi/2 0 0 -pi/2 0],'standard'); L6=Link([0 2 0 -pi/2 0],'standard'); bot=SerialLink([L1 L2 L3 L4 L5 L6],'name','ROBOT'); ([0 0 0 0 0 0])
工业机器人运动学标定及误差分析(精)
工业机器人运动学标定及误差分析 运动学标定是机器人离线编程技术实用化的关键技术之一,也是机器人学的重要内容,在机器人产业化的背景下有十分重要的理论和现实意义。机器人运动学标定以运动学建模为基础,几何误差参数辨识为目的,为机器人的误差补 偿提供依据。工业机器人在以示教方式工作时,以重复精度为主要指标;在以离 线编程方式工作时,主要工作指标变为绝对精度。但是,工业机器人重复精度较 高而绝对精度较低,难以满足离线编程工作时的精度,所以需要进行运动学标定 来提高其绝对精度。随着机器人离线编程系统的发展,工业机器人运动学标定日益重要。本文首先综合分析了工业机器人运动学标定的一些基本理论,为之后的运动学建模和标定提供理论基础。根据ABB IRB140机器人实际结构,本文建立 了D-H运动学模型,并讨论了机器人的正运动学问题和逆运动学问题的解;然后 指出了该模型在标定中存在的缺陷,结合一种修正后的D-H模型建立了本文用于标定的模型。并根据最终建立的运动学模型建立了机器人几何误差模型。本文 还在应用代数法求解机器人逆运动学问题的基础上,进行了应用径向基神经网络求解机器人逆解的研究。该方法结合机器人正运动学模型,以机器人正解为训练样本训练经遗传算法优化后的径向基神经网络(GA-RBF网络),实现从机器人工 作变量空间到关节变量空间的非线性映射,从而避免复杂的公式推导和计算。本文在讨论了两种构造机器人封闭运动链进行运动学标定的方法的基础上,提出了一种新的机器人运动学标定方法——虚拟封闭运动链标定法。并对该方法的原理、系统构成进行了详细的分析和说明。该方法通过一道激光束将末端位置误 差放大在观测平板上,能够获得更高精度的关节角的值,从而辨识出更为准确的 几何参数。为了验证本文提出的虚拟封闭运动链标定方法的有效性和稳定性,本文以ABB IRB140机器人为研究对象,利用有关数据进行了仿真分析,最终进行了标定试验,得出结论。 同主题文章 [1]. 王金友. 中国工业机器人还有机会吗?' [J]. 机器人技术与应用. 2005.(02) [2]. 李如松. 工业机器人的应用现状与展望' [J]. 组合机床与自动化加工技术. 1994.(04) [3]. 赖维德. 工业机器人知识讲座——第一讲什么是工业机器人' [J]. 机械工人.冷加工. 1995.(02) [4]. 世界工业机器人产业发展动向' [J]. 今日科技. 2001.(11) [5]. 人丁兴旺的机器人大家族' [J]. 网络科技时代(数字冲浪). 2002.(01)
工业机器人静力及动力学分析
注：1）2008年春季讲课用；2）带下划线的黑体字为板书内容；3）公式及带波浪线的部分为必讲内容第3章工业机器人静力学及动力学分析 3.1 引言 在第2章中，我们只讨论了工业机器人的位移关系，还未涉及到力、速度、加速度。由理论力学的知识我们知道，动力学研究的是物体的运动和受力之间的关系。要对工业机器人进行合理的设计与性能分析，在使用中实现动态性能良好的实时控制，就需要对工业机器人的动力学进行分析。在本章中，我们将介绍工业机器人在实际作业中遇到的静力学和动力学问题，为以后“工业机器人控制”等章的学习打下一个基础。 在后面的叙述中，我们所说的力或力矩都是“广义的”，包括力和力矩。 工业机器人作业时，在工业机器人与环境之间存在着相互作用力。外界对手部（或末端操作器）的作用力将导致各关节产生相应的作用力。假定工业机器人各关节“锁住”，关节的“锁定用”力与外界环境施加给手部的作用力取得静力学平衡。工业机器人静力学就是分析手部上的作用力与各关节“锁定用”力之间的平衡关系，从而根据外界环境在手部上的作用力求出各关节的“锁定用”力，或者根据已知的关节驱动力求解出手部的输出力。 关节的驱动力与手部施加的力之间的关系是工业机器人操作臂力控制的基础，也是利用达朗贝尔原理解决工业机器人动力学问题的基础。 工业机器人动力学问题有两类：(1)动力学正问题——已知关节的驱动力，求工业机器人系统相应的运动参数，包括关节位移、速度和加速度。(2)动力学逆问题——已知运动轨迹点上的关节位移、速度和加速度，求出相应的关节力矩。 研究工业机器人动力学的目的是多方面的。动力学正问题对工业机器人运动仿真是非常有用的。动力学逆问题对实现工业机器人实时控制是相当有用的。利用动力学模型，实现最优控制，以期达到良好的动态性能和最优指标。 工业机器人动力学模型主要用于工业机器人的设计和离线编程。在设计中需根据连杆质量、运动学和动力学参数，传动机构特征和负载大小进行动态仿真，对其性能进行分析，从而决定工业机器人的结构参数和传动方案，验算设计方案的合理性和可行性。在离线编程时，为了估计工业机器人高速运动引起的动载荷和路径偏差，要进行路径控制仿真和动态模型的仿真。这些都必须以工业机器人动力学模型为基础。 工业机器人是一个非线性的复杂的动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间。因此，简化求解过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 在这一章里，我们将首先讨论与工业机器人速度和静力学有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。
第3章 工业机器人静力计算及动力学分析
第3章 工业机器人静力计算及动力学分析 章节题目：第3章 工业机器人静力计算及动力学分析 [教学内容] 3.1 工业机器人速度雅可比与速度分析 3.2 工业机器人力雅可比与静力计算 3.3 工业机器人动力学分析 [教学安排] 第3章安排6学时，其中介绍工业机器人速度雅可比45分钟，工业机器人速度分析45分钟，操作臂中的静力30分钟，机器人力雅可比30分钟，机器人静力计算的两类问题10分钟，拉格朗日方程20分钟，二自由度平面关节机器人动力学方程60分钟，关节空间和操作空间动力学30分钟。 通过多媒体课件结合板书的方式，采用课堂讲授和课堂讨论相结合的方法，首先讨论与机器人速度和静力有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。 [知识点及其基本要求] 1、工业机器人速度雅可比（掌握） 2、速度分析（掌握） 3、操作臂中的静力（掌握） 4、机器人力雅可比（掌握） 5、机器人静力计算的两类问题（了解） 6、拉格朗日方程（熟悉） 7、二自由度平面关节机器人动力学方程（理解） 8、关节空间和操作空间动力学（了解） [重点和难点] 重点：1、速度雅可比及速度分析 2、力雅可比 3、拉格朗日方程 4、二自由度平面关节机器人动力学方程 难点：1、关节空间和操作空间动力学 [教学法设计] 引入新课： 至今我们对工业机器人运动学方程还只局限于静态位置问题的讨论，还没有涉及力、速度、加速度等。机器人是一个多刚体系统，像刚体静力学平衡一样，整个机器人系统在外载荷和关节驱动力矩（驱动力）作用下将取得静力平衡；也像刚体在外力作用下发生运动变化一样，整个机器人系统在关节驱动力矩（驱动力）作用下将发生运动变化。 新课讲解： 第一次课 第三章 工业机器人静力计算及动力学分析 3-1 工业机器人速度雅可比与速度分析 一、工业机器人速度雅可比 假设有六个函数，每个函数有六个变量，即： ??? ???? ===),,,,,(),,,,,(),,,,,(654321666543212265432111x x x x x x f y x x x x x x f y x x x x x x f y ，可写成Y=F(X)，
基于D-H模型的机器人运动学参数标定方法
基于D-H模型的机器人运动学参数标定方法 摘要：通用机器人视觉检测站中的机器人是整个测量系统中产生误差的最主要环节，而机器人的连杆参数误差又是影响其绝对定位精度的最主要因素。借助高精度且可以实现绝对坐标测量的先进测量设备——激光跟踪仪，及其功能强大的CAM2 Measure 4.0配套软件，并利用串联六自由度机器人运动的约束条件，重新构建起D-H模型坐标系，进而对运动学参数进行修正，获得关节变量与末端法兰盘中心位置在基坐标系下的准确映射关系，以提高机器人的绝对定位精度，最后通过进一步验证，证明取得了较为理想的标定结果。 关键词：视觉检测站；工业机器人；绝对定位精度；激光跟踪仪；D-H模型； Robot kinematic parameters calibration based on D-H model Wang Yi (State key laboratory of precision measuring technology and instruments, Tianjin University, 300072,China) Abstract：Robot for universal robot visual measurement station is the most primary part causing errors in the entire system and link parameter errors of industrial robot have a great influence on accuracy. Employing laser tracker, which can offer highly accurate measurement and implement ADM (absolute distance measurement), as well as relevant software, making use of movement constrain of series-wound six-degree robot, D-H model coordinates were rebuilt. Accordingly, kinematic parameters were modified, and precise mapping from joint variables to the center of the end-effector in base coordinate was obtained and accuracy got improved. At last, result is proved acceptable by validation. Keywords: visual measurement station; industrial robot; accuracy; laser tracker; D-H model; 引言：随着立体视觉技术的不断完善与发展，利用机器人的柔性特点，发展基于立体视觉的通用测量机器人三维测试技术逐渐成为各大机器人生产厂家非常重视的市场领域。机器人的运动精度对于工业机器人在生产中的应用可靠性起着至关重要的作用。机器人各连杆的几何参数误差是造成机器人系统误差的主要环节，它主要是由于制造和安装过程中产生的连杆实际几何参数与理论参数值之间的偏差造成的。通常，机器人以示教再现的方式工作，轨迹设定好之后，只在某些固定点之间运动，这种需求使得机器人的重复性精度被设计得很高，可以达到0.1毫米以下，但是绝对定位精度很差，可以到2、3毫米，甚至更大[1]。常见的标定方法可分为三类：一、建立微分运动学模型，然后借助标定工具测量一定数目的机器人姿态，最后用反向求解的方法得到真实值与名义值之间的偏差[2]。二、使用标定工具获得一系列姿态的数据，然后对数据用线性或非线性迭代求解的方法得到机器人几何参数的修正值[3],[4]。 三、建立机器人运动学模型，用直接测量的方法修正模型参数[5],[6],[7],[8]。最近，世界著名工业机器人生厂商ABB公司运用了莱卡激光跟踪仪以保证其产品的精度。使用激光跟踪仪标定机器人不再需要其它的测量工具，从而也就省去了标定测量工具的繁琐工作；同时，这一方法是对机器人的各个运动学几何参数进行修正，结果会使机器人在整个工作空间内的位姿得到校准，而不会像用迭代求解的方法那样，只是对某些测量姿态进行优化拟合，可能会造成在非测量点处残留比较大的误差；再者，随着机器人的机械磨损，机器人的运动学参数需要重新标定，而激光跟踪仪测量系统配置起来简单，特别适合于工业现场标定。正是鉴于以
焊接机器人逆运动学位姿分析
1.1连杆的坐标系 应用D-H 法来建立机器人杆件的坐标系。在这种坐标系中，可以把机械手的任一连杆i （i=1，2，3···，n ）看作是一个刚体，与它相邻的两个关节i 、i-1的轴线i 和i-1 之间的关系也由它确定，如图1，可以用以下四个参数描 式中，cθi =cosθi ，sθi =sinθi ，i=1，2，3，···，n 图1连杆坐标系{i}到{i-1}的变换 i αi-1/（rad ）a i-1/（cm ）d i /（cm 12340 90°090°042.5410014.520011.895.3表1机器人连杆参数表
定义了连杆坐标系和相应得连杆参数，就能建立运动学方程，焊接机器人末端关节的坐标系{n}相对于基础坐标系{0}中的齐次变换公式为： 对于6自由度的焊接机器人公式可以写为 （2 变换矩阵0 n T是关于n个关节变量的函数，这些变量 可以通过放置在关节上的传感器测得，则机器人末端连杆再基坐标系中的位置和姿态就能描述出来。 E n表示焊接机器人末端关节的姿态， 器人在世界坐标系中的位置。[3] 2机器人的逆运动学分析 逆运动学求解是已知机器人末端的位置和姿态即 求解机器人对应于该位置和姿态的关节角 只要0 n T表示的末端连杆坐标系的位置和姿态位于机 械手的可达空间内，则运动学方程至少有一个解， 达空间内，机械手具有任意姿态，导致运动学方程可能出现重解。 机器人的运动学方程是一组非线性方程式， 求解过程中，我们逐次在公式（4）的两端同时左乘一 即为 在上式两边的矩阵中寻找简单的表达式或常数， 对应相等，计算过程如下： （ （ （ （ （ （3求取各关节的解集 依靠D-H法求解关节角的过程是和焊接机器人本身的结构相关的，换句话说，也就是特定配置的机器人需要特定的解决方案。通过公式（6）-（16）可以看出每个关节角的结果是不唯一的，如果采用已有的求解方法，显而易见该过程是缓慢的，复杂的。本文提出了一种计算最终执行器位置的所有精确值的算法。该算法是在MATLAB 程实现的。通过该算法得到各节点的解是更快速、有效的。 用变换矩阵 6T定义一条具有两个端点A和B 轨迹，如公式（17）和（19）。从而θ能够被求出，如公式20）
焊接机器人离线编程应用技术经验
精心整理 焊接机器人离线编程应用技术 一、引述 随着国内外机械装备制造事业飞速发展，对各种机械设备的生产周期、产品质量、制造成本，提出了更高的要求。为了适应这种形势，设法提高及保证焊接接头质量的稳定性，机器人的柔性优势正是解决这一问题的的良好方案。 二、机器人系统简介 通用工业机器人，按其功能划分，一般由3个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、 教者的经验目测决定，对于复杂路径难以保证示教点的精确结果。而离线编程是将机器人所有编程的工作内容在计算机软件在完成，过程一般包括：机器人及设备的作业任务描述、建立变换方程、求解未知矩阵及编制任务程序等。在进行图形仿真以后，根据动态仿真的结果，对程序做适当的修正，以达到满意效果，最后在线控制机器人运动以完成作业。节省了在机器人上编程的时间、离线编程的程序易于修改、通过仿真模拟后，防止昂贵的设备发生碰撞而损坏、结合CAD 软件系统和其它人工智能技术与机器人系统一体化，来提高工作效率和焊接质量。由此看来当焊缝是直线或者简单曲线，焊缝上方没有干涉物且焊缝的精度要求不太高的情况下，采用在线示教的编程方式是非常理想的，但在许多复杂的作业应用中不是那么令人满意了。
因此，机器人离线编程及仿真是提高机器人焊接系统柔性化的一项关键技术，是现代机器人焊接制造业的一个重要方法。一般工业机器人焊接时，机器人对焊接过程动态变化、焊件变形和随机因素干扰等不具有自适应能力。随着焊接产品的高质量、多品种、小批量等要求增加，又对机器人焊接技术提出了更高要求。这就需要对本体机器人焊接系统进行二次开发，包括给焊接机器人配置适当的传感器，柔性周边设备以及相应软件功能，如焊缝跟踪传感、焊接过程传感与实时控制、焊接变位机构。这些功能大大扩展了基本的焊接机器人的功能，这样的焊接机器人系统智能程度的高低由所配置的传感器、控制系统以及软硬件所决定。根据目前的整体技术还不太容易满足机器人焊接的所有智能要求，但这是个重要的发展趋势。 其它 发那科公司的Roboguide以及日本OTC公司使用的离线模拟仿真软件就叫OTC。国内机器人厂家暂时还没有完全自主知识产权的模拟仿真软件。因为这些机器人公司业务主体是机器人与控制系统，而并非专业的软件公司，这些机器人厂家为了使自己的机器人更加适应市场需求，同时出于对机器人系统技术保护的考虑，而开发了只可用于自己公司机器人系统的离线模拟示教软件。这些软件虽然没有三维建模功能，但可以导入其它CAD软件设计的模型文件，通过虚拟示教方式离线编程，对于简单焊缝的作业倒也实用。
二自由度机械臂动力学分析培训资料
二自由度机械臂动力 学分析
平面二自由度机械臂动力学分析 姓名：黄辉龙 专业年级：13级机电 单位：汕头大学 摘要：机器臂是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，这里主要对平面二自由度机械臂进行动力学研究。拉格朗日方程在多刚体系统动力学的应用方法分析平面二自由度机械臂的正向动力学。经过分析，得出平面二自由度机械臂的动力学方程，为后续更深入研究做铺垫。 关键字：平面二自由度 动力学方程 拉格朗日方程 相关介绍 机器人动力学的研究有牛顿-欧拉（Newton-Euler ）法、拉格朗日 (Langrange)法、高斯（Gauss ）法等，但一般在构建机器人动力学方程中，多采用牛顿-欧拉法及拉格朗日法。 欧拉方程又称牛顿-欧拉方程，应用欧拉方程建立机器人机构的动力学方程是指研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程，欧拉方程表征了力、力矩、惯性张量和加速度之间的关系。 在机器人的动力学研究中，主要应用拉格朗日方程建立机器人的动力学方程，这类方程可直接表示为系统控制输入的函数，若采用齐次坐标，递推的拉格朗日方程也可以建立比较方便且有效的动力学方程。 在求解机器人动力学方程过程中，其问题有两类： 1)给出已知轨迹点上? ??θθθ、及、 ，即机器人关节位置、速度和加速度，求相应的关节力矩矢量τ。这对实现机器人动态控制是相当有用的。 2)已知关节驱动力矩，求机器人系统相应各瞬时的运动。也就是说，给出关节力矩矢量τ，求机器人所产生的运动? ??θθθ、及、 。这对模拟机器人的运动是非常有用的。 平面二自由度机械臂动力学方程分析及推导过程 1、机器人是结构复杂的连杆系统，一般采用齐次变换的方法，用拉格朗日方程建立其系统动力学方程，对其位姿和运动状态进行描述。机器人动力学方程的具体推导过程如下： 1) 选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量n r ,,2,1,r ???=θ。 2) 选定相应关节上的广义力r F ：当r θ是位移变量时，r F 为力；当r θ是角度变量时，r F 为力矩。 3)求出机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。 4) 代入拉格朗日方程求得机器人系统的动力学方程。 2、下面以图1所示说明机器人二自由度机械臂动力学方程的推导过程。
利用姿态约束的并联机器人运动学标定方法
第42卷 第12期2008年12月 西 安 交 通 大 学 学 报 J OU RNAL O F XI′AN J IAO TON G U N IV ERSIT Y Vol.42 №12 Dec.2008 利用姿态约束的并联机器人运动学标定方法 任晓栋1,2,冯祖仁1,2,苏承平1,2 (1.西安交通大学系统工程研究所,710049,西安;2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安) 摘要:为了提高并联机器人运动精度,提出了一种利用姿态约束的运动学标定方法.借助一个双轴倾角仪,建立了机器人末端2个姿态角恒定约束,根据这种约束构造了相应的辨识模型和标定算法.标定算法得益于倾角仪重复精度和分辨率高于位置精度的特点,不受其位置精度和量程的限制,同时可避免施加机械约束给并联机器人主动关节带来特殊要求.仿真计算表明,在杆长测量精度为2μm、倾角仪重复精度为01001°的条件下,经过标定后并联机器人的位置精度可达011mm,姿态精度可达0101°. 关键词:姿态约束;运动学标定;并联机器人 中图分类号:TP24212 文献标志码:A 文章编号:02532987X(2008)1221445205 Method for Kinematic C alibration of Parallel Robots Using Orientation Constraint REN Xiaodong1,2,FEN G Zuren1,2,SU Chengping1,2 (1.Systems Engineering Institute,Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China;2.State Key Laboratory of Manufacturing Systems Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China) Abstract:A new calibration met hod using orientation constraint is p resented to improve t he accu2 racy of parallel robot s.Wit h t he use of a commercial biaxial inclinometer,two attit ude angles of t he end2effecter are kept constant at different measurement configurations.The corresponding calibration algorit hm is built t hrough t he orientation constraint.Instead of positioning accuracy, repeatability and resolution of t he inclinometer are used to const ruct t he orientation const raint, and t he measurement range of t he inclinometer has no effect on t he calibration met hod.Moreo2 ver,t he act uators of t he parallel robot s do not need to operate in passive mod because t he orienta2 tion const raint is not const ructed by t he mechanical locking device.Simulation result s show t hat t he po sition accuracy and t he orientation accuracy reach0.1mm and0101°,respectively,wit h measurement p recision on leg lengt hs of2μm and repeatability on inclinometer of01001°. K eyw ords:orientation const raint;kinematic calibration;parallel robot s 精度是评价并联机器人工作性能的一项重要指标.运动学标定通过准确辨识机器人的机构参数来修正控制器中的模型参数,能够在不增加并联机器人制造成本的条件下,有效提高运动精度. 现有的并联机器人运动学标定方法可以分为外部标定法和自标定法2大类.外部标定法需要借助外部传感器直接或者间接地检测末端位姿信息全集[1]或者子集[224].这类方法原理简单,但要获取高精度的位姿信息非常困难,通常需要借助代价昂贵的检测设备.自标定方法则无需检测末端位姿信息,通常根据机器人内部冗余传感器的输出[5]或者利用由机械装置产生的运动约束来构造相应的辨识模型[627],但缺点是内部传感器的安装无法适用于已经建造的机构,而施加机械约束通常需要机器人的主 收稿日期:2008204221. 作者简介:任晓栋(1979-),男,博士生;冯祖仁(联系人),男,教授,博士生导师. 基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(2007CB311006);国家高技术研究发展计划资助项目(2006AA04Z222).
外文资料翻译--应用坐标测量机的机器人运动学姿态的标定翻译-精品
毕业设计(论文)外文资料翻译 系部：机械工程系 专业：机械工程及自动化 姓名： 学号： 外文出处：The Internation Journal of Advanced (用外文写) Manufacturing Technology 附件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年月日注：请将该封面与附件装订成册。
附件1：外文资料翻译译文 应用坐标测量机的机器人运动学姿态的标定 这篇文章报到的是用于机器人运动学标定中能获得全部姿态的操作装置—— 坐标测量机（CMM）。运动学模型由于操作器得到发展, 它们关系到基坐标和工件。工件姿态是从实验测量中引出的讨论, 同样地是识别方法学。允许定义观察策略的完全模拟实验已经实现。实验工作的目的是描写参数辨认和精确确认。用推论原则的那方法能得到在重复时近连续地校准机器人。 关键字：机器人标定坐标测量参数辨认模拟学习精确增进 1. 前言 机器手有合理的重复精度(0.3毫米)而知名, 但仍有不好的精确性(10.0 毫米)。为了实现机器手精确性，机器人可能要校准也是好理解。在标定过程中，几个连续的步骤能够精确地识别机器人运动学参数，提高精确性。这些步骤为如下描述： 1 操作器的运动学模型和标定过程本身是发展，和通常有标准运动学模型的工具实现的。作为结果的模型是定义基于厂商的运动学参数设置错误量, 和识别未知的,实际的参数设置。 2 机器人姿态的实验测量法(部分的或完成) 是拿走为了获得从联系到实际机 器人的参数设置数据。 3 实际的运动学参数识别是系统地改变参数设置和减少在模型阶段错误量的 定义。一个接近完成辨认由分析不同中间姿态变量P和运动学参数K的微分关系决定： 于是等价转化得： 两者择一, 问题可以看成为多维的优化问题，这是为了减少一些定义的错误功能到零点，运动学参数设置被改变。这是标准优化问题和可能解决用的众所周知的方法。
机器人动力学汇总
机器人动力学研究的典型方法和应用 （燕山大学 机械工程学院） 摘 要：本文介绍了动力学分析的基础知识，总结了机器人动力学分析过程中比较常用的动力学分析的方法：牛顿—欧拉法、拉格朗日法、凯恩法、虚功原理法、微分几何原理法、旋量对偶数法、高斯方法等，并且介绍了各个方法的特点。并通过对PTl300型码垛机器人弹簧平衡机构动力学方法研究，详细分析了各个研究方法的优越性和方法的选择。 前 言：机器人动力学的目的是多方面的。机器人动力学主要是研究机器人机构的动力学。机器人机构包括机械结构和驱动装置，它是机器人的本体，也是机器人实现各种功能运动和操作任务的执行机构，同时也是机器人系统中被控制的对象。目前用计算机辅助方法建立和求解机器人机构的动力学模型是研究机器人动力学的主要方法。动力学研究的主要途径是建立和求解机器人的动力学模型。所谓动力学模指的是一组动力学方程（运动微分方程），把这样的模型作为研究力学和模拟运动的有效工具。 报告正文： （1）机器人动力学研究的方法 1）牛顿—欧拉法 应用牛顿—欧拉法来建立机器人机构的动力学方程，是指对质心的运动和转动分别用牛顿方程和欧拉方程。把机器人每个连杆（或称构件）看做一个刚体。如果已知连杆的表征质量分布和质心位置的惯量张量，那么，为了使连杆运动，必须使其加速或减速，这时所需的力和力矩是期望加速度和连杆质量及其分布的函数。牛顿—欧拉方程就表明力、力矩、惯性和加速度之间的相互关系。 若刚体的质量为m ，为使质心得到加速度a 所必须的作用在质心的力为F ，则按牛顿方程有：ma F = 为使刚体得到角速度ω、角加速度εω= 的转动，必须在刚体上作用一力矩M ， 则按欧拉方程有：εωI I M += 式中，F 、a 、M 、ω、ε都是三维矢量；I 为刚体相对于原点通过质心并与刚
虚拟封闭运动链法提高机器人运动学标定精度
第25卷第2期2009年4月机械设计与研究 M achine D esign and R esearch V o.l 25N o .2A pr .,2009 收稿日期:2008-11-24 文章编号:1006-2343(2009)02-057-03 虚拟封闭运动链法提高机器人运动学标定精度 夏 天1 ,孙翰英2 ,范嘉桢1 ,杨建国 1 (1.上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240,E -m ai:l shuitian @sjtu .edu .cn ; 2.山东淄博职业学院机电工程系,淄博 255314) 摘 要:介绍了一种基于激光器构造虚拟封闭运动链的标定方法,该方法通过末端操作器上安装的激光 器向观测平板发射激光束,并保持激光投影点处于观测平板上一个固定位置,构造出一个虚拟封闭运动链。在此基础上对I RB140机器人的几何参数进行了标定,经试验验证表明,本标定方法有效地实现了机器人绝对精度的大幅度提高。 关键词:机器人;标定;激光器;虚拟封闭运动链中图分类号:TP24 文献标识码:A Research of Industri al Robot Calibration Based on V irtual Closed K i ne matic Chai n X IA T ian 1 ,SUN H an -y i n g 2 ,FAN Jia -zhen 1 ,YANG Ji a n-guo 1 (1.Schoo l ofM echanical Eng i neeri ng ,Shangha i Ji aotong U n i versity ,Shangha,i 200240,Ch i na ;2.M echan ica l and E l ec trical Eng i neeri ng D epart m ent ,Z i bo V oca ti ona l Institute ,Z i bo 255314,Ch i na) Abstract :T h i s paper descr i bes a robo t cali brati on approach ,wh i ch for m s a v i rtual c l o sed k i ne m atic cha i n by u -si ng a l aser .F i rstl y a lase r i s attached to the end effecto r to produce a laser li ne ai m i ng at an observ i ng p l a te .Then t he pro j ec ted laser spot i s m a i nta i ned on a fi xed po i nt on t he observ i ng plate by ad j usti ng the j o i nt ang l es so as to f o r m a v i rtua l c losed k i ne m atic cha i n .T hus ,t he geom etr ica l para m eters can i dentifi ed f o r t he IRB140robot .A t l ast ,it is proved t hat the abso l ute accuracy of the robo t is high l y i m prov ed after cali brati on by expe ri m en t . K ey words :robo t ;ca libration ; l aser ;v irt ua l closed k i ne m atic cha i n 重复精度较高而绝对精度较低是目前工业机器人应用中一个众所周知的事实。近年来,如何提高工业机器人绝对精度的提高的研究一直是机器人领域的研究热点之一。在影响工业机器人绝对精度的各因素中,因加工、装配造成的连杆几何参数误差起到决定性作用。国内外研究者们针对机器人运动学标定做了大量研究。 运动学标定技术通常包括四个步骤 [1] :(1)建立准确的 运动学模型;(2)用已知精度的测量装置测量出机器人末端操作器的位姿;(3)引入算法辨识几何参数;(4)对原有机器人运动学模型进行修正。在标定过程中,测量手段是一个极其重要的因素。通常采用的测量系统包括三坐标测量仪及激光(关节型多杆)随动系统等。但是这些测量方法一方面比较繁琐,对使用者的技术要求比较高,另一方面费时较长且成本很高。近年来,为了避免测量系统对标定造成的限制,研究者们提出了只借助内部传感器而不需要另行测量末端操作器位姿的多种标定方法 [2-4] 。如一些研究者们通过 在机器人工作空间施加形状已知的物理约束,利用机器人末端操作器与这些约束间的约束方程来求解运动学参数,其中包括Zhuang 施加一个平板约束于末端操作器上建立约束方程 [2] ,N e wm an 采用一道与末端操作器同轴的激光束施加线 性约束[3]等。 下面首先讨论了机器人运动学模型的建立方法,然后提出了一种基于虚拟封闭运动链的机器人几何参数标定方法,最后进行了试验验证。 1 运动学模型 这里的标定对象为A BB 公司生产的六自由度IRB140机器人。为实现其的标定方法,所以在机器人的腕关节上安装了一个激光器。 如图1所示,遵从DH 模型的基本原则建立机器人坐标系[5]: (1)确定Z i 轴:Z i 轴沿第i +1关节的回转轴线方向;(2)确定原点:原点O i 在Z i -1与Z i 的公法线上,即为此公法线与Z i 的交点; (3)确定X i 轴:X i 轴沿Z i -1与Z i 的公法线方向(当Z i -1与Z i 平行时,选择为过O i -1点的公法线); (4)Y i 由右手法则确定。 DH 模型四个参数分别是关节角H i 、偏距d i 、连杆长度a i 、扭角A i 。其中H i 是X i -1与X i 的交错角,绕Z i 右旋为正;d i 是X i -1到X i 的距离,沿Z i 轴指向为正;a i 是Z i -1到Z i 的距离,沿X i 轴指向为正;A i 是Z i -1与Z i 的交错角,绕X i 右旋为正。则由第i -1关节到第i 关节(i =1,2,4,5,6)的变换矩阵为:
工业机器人剖析
总评成绩：《机器人应用技术》实验报告 专业：机电一体化 班级：机电141班 学号：140212107 姓名：刘宗成 河南工学院 机电工程系
实验一工业机器人机械结构 实验目的：1、认识机器人的基本结构和组成 2、熟悉工业机器人基本工作原理 3、了解工业机器人技术参数 实验原理： 六自由度机械手本体结构图 实验器材：1、FANUC M-6i六自由度机械手二台 2、FANUC M-6iB六自由度机械手一台 3、ABB IRB-2400六自由度机械手一台 4、实验设备使用说明书各一本 实验步骤：1、学习ABB和FANUC六自由度机械手基本构成控制柜与机械本体 2、学习六自由度机械手本体各关节的作用 3、学习六自由度机械手本体中定位关节与姿态关节 4、学习六自由度机械手本体各关节驱动机构与传动机构 5、学习典型工业机器人机械本体质量分布，以及各关节中质量平衡和力矩平衡 6、学习六自由度机械手各关节运动范围及运动速度控制 7、学习工业机器人重复定位精度的定义，并且了解相应机器人的重复定位精度 8、学习工业机器人最大负载 9、学习工业机器人最大运动范围 实验报告：课后每位同学按照要求完成实验报告。 思考题：1、画出六自由度机械手的结构简图 2、分析各关节机械手臂的运动范围 注意事项：1、实验开始之前认真学习工业机器人机械本体结构。 2、实验过程认真阅读实验设备说明书。
实验报告
实验二 机器人运动学实验 实验目的：1、了解四自由机械臂的开链结构 2、掌握机械臂运动关节之间的坐标变换原理 3、学会机器人运动方程的正反解方法 实验原理： 机器人运动学只涉及到物体的运动规律，不考虑产生运动的力和力矩。机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度或位移，求解计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。 各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程）为 ： 432140 A A A A T ==????? ???????10 00 z z z z y y y y x x x x p a o n p a o n p a o n 其中：z 向矢量处于手爪入物体的方向上，称之为接近矢量a ，y 向矢量的方向从一个 指尖指向另一个指尖，处于规定手爪方向上，称为方向矢量o ；最后一个矢量叫法线矢量n ， 它与矢量o 和矢量a 一起构成一个右手矢量集合，并由矢量的叉乘所规定：a o n ?=。 上式表示了机器人变换矩阵40T ，它描述了末端连杆坐标系{4}相对基坐标系{0}的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。 实验器材： 1、RBT-4T03S 机器人一台； 2、RBT-4T03S 机器人控制柜一台； 3、装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。 实验步骤： 1、 根据机器人坐标系的建立中得出的A 矩阵，相乘后得到T 矩阵，根据一一对应的关系，写出机器人正解的运算公式，并填入表6-1中； 表6-1机器人的正运动学的参数
焊接机器人的运动控制系统
焊接机器人的运动控制系统 作为焊接机器人的用户，为正确选择、合理使用并做到能常规维护焊接机器人，必须对焊接机器人的运动控制系统有一定层次的了解。 焊接机器人是装上了焊钳或各种焊枪的工业机器人。工业机器人的运动控制系统涉及数学、自动控制理论等，内容很多。要在较短的篇幅中，全面而系统地介绍工业机器人的运动控制系统，实在是非工业机器人控制专业人员所能及的事情，因此，本章内容是从焊接机器人的用户角度出发，尽量以图代解、简明地阐述有关机器人运动控制系统的一般性问题。 焊接机器人运动轴的定义 点焊与弧焊两种机器人都是由典型6关节型（也称6轴）工业机器人装上焊钳或焊枪而构成，因此，讨论焊接机器人运动系统构成，亦即讨论典型6关节工业机器人的运动系统构成。顾名思义，典型6关节工业机器人有6个可活动的关节，每个关节的运动名称都有定义，在图2中，给出了典型6关节工业机器人各关节的编号与动作状态（编号后面的英文大写字母就是规定动作英文名称的第一个字母），每个关节的运动都由一个伺服电（动）机驱动，每个电机都有各自的伺服控制系统。机器人最后“手”关节上所安装的工具中心点（TCP）（对点焊钳与电焊枪的TCP点，在相应的机器人结构中都作了规定）的运动轨迹是多个关节伺服系统协同动作的结果。而机器人运动控制系统（器）的作用就是如何根据编程指令来指挥控制6个伺服电（动）机协同动作，以完成工具中心点所要求实现的运动轨迹。 焊接机器人的运动轴参数 焊接机器人的运动轴参数主要包括：各轴最大运动范围、最大速度、相关轴的容许转距、相关轴的容许惯性力矩等 焊接机器人运动控制系统的组成 对机器人运动控制系统的一般要求 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，主要用于对机器人运动的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： 记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有
SCARA机器人的运动学分析
电子科技大学 实验报告 学生姓名： 一、实验室名称：机电一体化实验室 二、实验项目名称：实验三SCARA 学号： 机器人的运动学分析 三、实验原理： 机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度，计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。 各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程） 为： n x o x a x p x 0T40T1 11T2 22T3 d3 n y o y a y p y （ 1-5）3T4 4= o z a z p z n z 0001 式 1-5 表示了 SCARA 手臂变换矩阵0 T4，它描述了末端连杆坐标系{4} 相对基坐标系 {0} 的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。 式中： n x c1c2c4s1 s2 c4 c1 s2s4s1 c2 s4，n y s1c2 c4c1 s2 c4s1 s2 s4c1c2 s4 n z0 ， o x c1c2 s4s1 s2 s4 c1 s2 c4s1c2c4 o y s1c2 s4c1 s2 s4s1 s2 c4c1c2c4 o z0 ， a x0 ， a y0 ， a z1 p x c1 c2 l2s1s2l 2c1l 1， p y s1c2 l 2 c1 s2 l 2 s1l1， p z d3 机器人逆运动学研究的内容是：已知机器人末端的位置和姿态，求机器人对应于这个位置和姿态的全部关节角，以驱动关节上的电机，从而使手部的位姿符合要求。与机器人正运动学分析不同，逆问题的解是复杂的，而且具有多解性。
1）求关节 1： 1 A arctg 1 A 2 l 12 l 22 p x 2 p y 2 arctg p x 式中：A p x 2 ； p y 2l 1 p y 2 2）求关节 2： 2 r cos( 1 ) arctg ) l 1 r sin( 1 式中 ： r p x 2 p y 2 ；arctg p x p y 3). 求 关节变 量 d 3 令左右矩阵中的第三行第四个元素（3.4）相等，可得： d 3 p z 4). 求 关节变 量 θ 4 令左右矩阵中的第二行第一个元素（1.1,2.1 ）相等，即： sin 1 n x cos 1n y sin 2 cos 4 cos 2 sin 4 由上式可求得： 4 arctg ( sin 1 n x cos 1 n y )2 cos 1 n x sin 1 n y 四、实验目的： 1. 理解 SCARA 机器人运动学的 D-H 坐标系的建立方法； 2. 掌握 SCARA 机器人的运动学方程的建立； 3. 会运用方程求解运动学的正解和反解； （ 1-8） （ 1-9） （ 1-10 ）