大型高端裝備制造領(lǐng)域,其裝備部件及整機(jī)制造裝配過程具有超大加工空間、超大制造尺寸、超精密加工與高精度裝配等制造技術(shù)要求與挑戰(zhàn)。以機(jī)器人和激光跟蹤測(cè)量設(shè)備作為制造主體的原位智能制造系統(tǒng)為上述要求提供了解決方案。作為原位智能制造的執(zhí)行機(jī)構(gòu),高端裝備產(chǎn)品的智能制造和柔性化制造都對(duì)工業(yè)機(jī)器人高精度絕對(duì)位姿測(cè)量和控制技術(shù)提出了更高要求。智能制造過程中的工業(yè)機(jī)器人位姿運(yùn)動(dòng)控制是一個(gè)復(fù)雜的多變量動(dòng)態(tài)變化過程,多種誤差因素共同影響機(jī)器人末端位姿精度。各誤差源作用機(jī)理各不相同,隨著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和時(shí)空改變,其分布規(guī)律和影響程度相應(yīng)變化。導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)真實(shí)參數(shù)隨著工作空間、狀態(tài)、位形和環(huán)境動(dòng)態(tài)變化,靜態(tài)參數(shù)化模型不能準(zhǔn)確描述機(jī)器人實(shí)際位姿變換狀態(tài)。因此,現(xiàn)有機(jī)器人誤差標(biāo)定技術(shù)中的單一運(yùn)動(dòng)學(xué)靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果不能適應(yīng)在多工作空間域變化下的多因素綜合作用,機(jī)器人在線絕對(duì)位姿精度的可靠性和工作空間域的適應(yīng)性不能滿足高精度大型裝備制造中的操作任務(wù)要求。本文針對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下工業(yè)機(jī)器人的加工位姿精度要求,開展面向智能制造的工業(yè)機(jī)器人位姿誤差在線動(dòng)態(tài)修正理論、方法與實(shí)驗(yàn)研究。在進(jìn)一步研究工業(yè)機(jī)器人誤差形成機(jī)理與運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)、靜態(tài)參量的非線性變化規(guī)律基礎(chǔ)之上,綜合運(yùn)用激光跟蹤六自由度測(cè)量技術(shù),構(gòu)建新的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)在線動(dòng)態(tài)位姿誤差模型和測(cè)控平臺(tái),提出全局優(yōu)化的位姿誤差綜合解算和動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法,給出在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償修正算法,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位姿精確在線修正與引導(dǎo)。論文詳細(xì)闡明了位姿測(cè)量、坐標(biāo)系變換、誤差估算與補(bǔ)償?shù)幕驹�、解算方法和關(guān)鍵技術(shù),完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等工作。論文主要研究?jī)?nèi)容歸納如下:1.進(jìn)行了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)D-H模型參數(shù)標(biāo)定法的誤差估算方法與標(biāo)定機(jī)理研究,分析了靜態(tài)參數(shù)化約束的位姿誤差工作空間域影響。開展了六自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人參數(shù)優(yōu)化誤差標(biāo)定實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了機(jī)器人末端位姿誤差靜態(tài)參數(shù)標(biāo)定法存在的工作空間域適應(yīng)性和精度可靠性問題。2.基于合作項(xiàng)目組研制的便攜式激光跟蹤系統(tǒng),研究了激光跟蹤系統(tǒng)中的光電定位和跟蹤光束伺服控制方法。針對(duì)工業(yè)環(huán)境下的空間大尺寸動(dòng)態(tài)目標(biāo)六自由度測(cè)量,研究了激光跟蹤六自由度位姿測(cè)量方法,提出和應(yīng)用基于光束透射法的一體化透反雙模式六自由度測(cè)量方法進(jìn)行機(jī)器人末端位姿在線跟蹤測(cè)量。開展了機(jī)器人六自由度位姿測(cè)量裝置定標(biāo)實(shí)驗(yàn)。3.針對(duì)機(jī)器人在線位姿激光跟蹤測(cè)量與實(shí)時(shí)修正需求,提出了一種機(jī)器人坐標(biāo)系與激光測(cè)量坐標(biāo)系快速標(biāo)定轉(zhuǎn)換和解算方法。通過基于距離原則的機(jī)器人末端光學(xué)工具中心點(diǎn)(tool center point;TCP)位置標(biāo)定、空間點(diǎn)坐標(biāo)重心化配置和基于羅德里格矩陣變換的最小二乘優(yōu)化算法進(jìn)行解算,獲取了位姿相對(duì)變換中的正交旋轉(zhuǎn)矩陣。研究了坐標(biāo)系等效相似變換方法,建立了機(jī)器人末端工具姿態(tài)變換描述模型,給出了姿態(tài)測(cè)量標(biāo)定過程中的姿態(tài)角解算方法。4.針對(duì)機(jī)器人全工作空間域位姿誤差標(biāo)定精度可靠性問題,提出了非參數(shù)化約束的運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差綜合解算與動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法,將多因素產(chǎn)生末端位姿誤差歸結(jié)為與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變量有關(guān)的周期性動(dòng)態(tài)函數(shù)變化,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人誤差的動(dòng)態(tài)函數(shù)化描述�；谡`差等效微分變量和連桿坐標(biāo)系誤差等效微分變換,建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)非參數(shù)化約束位姿誤差模型。研究了串聯(lián)式機(jī)器人多連桿坐標(biāo)系關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合規(guī)律,設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)空間坐標(biāo)系位姿在線解耦變換與補(bǔ)償算法,進(jìn)行了算法仿真驗(yàn)證和實(shí)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。5.基于對(duì)機(jī)器人位姿誤差進(jìn)行在線、實(shí)時(shí)、綜合補(bǔ)償?shù)乃枷?研究位姿誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)理和在線誤差信息融合方法,建立了誤差動(dòng)態(tài)修正數(shù)學(xué)模型和關(guān)節(jié)微分運(yùn)動(dòng)復(fù)合補(bǔ)償算法。提出了基于標(biāo)定預(yù)補(bǔ)償值實(shí)時(shí)引導(dǎo)修正誤差的組合修正方法。搭建機(jī)器人在線位姿測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行了補(bǔ)償算法仿真驗(yàn)證和位姿誤差在線組合修正實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過誤差標(biāo)定預(yù)補(bǔ)償值在線引導(dǎo)組合修正后,機(jī)器人末端位置平均誤差為0.022mm,姿態(tài)角平均誤差為0.016°,達(dá)到原位智能制造機(jī)器人制孔加工中的末端位置和姿態(tài)引導(dǎo)精度要求。
【學(xué)位單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文測(cè)量技術(shù)項(xiàng)目組研制成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)激光跟蹤儀樣機(jī)整機(jī)，在空間目標(biāo)技術(shù)上已接近國(guó)際水平[45]。激光跟蹤儀主要用于實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)位置測(cè)量。通過組合激光跟技術(shù)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)姿態(tài)測(cè)量[46]。其相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)成為術(shù)方面研究的熱點(diǎn)內(nèi)容[40, 47, 48]。目前以 Leica 激光跟蹤儀為代表的六術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。Leica 激光跟蹤六自由度測(cè)量主要分為 T-Probe 和圖 1-3 分別為 T-Probe 和 T-Mac 激光靶標(biāo)。

通過利用圓特征和異面點(diǎn)特征實(shí)現(xiàn)了視室內(nèi)激光投影成像式視覺測(cè)量系統(tǒng)研究，基于視覺的六自由度測(cè)量精度通常會(huì)隨理是從兩個(gè)(或多個(gè))視點(diǎn)觀察同一景物，圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像特征點(diǎn)匹配，并通視差)來獲取景物的三維信息。工業(yè)機(jī)器領(lǐng)域最典型的應(yīng)用[54]。雙目視覺)是用兩臺(tái)性能相同、位置固定算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的“視差”，以此確，如圖 1-4 所示。一套完整的雙目立體視標(biāo)、特征提取、立體匹配、深度計(jì)算及深攝像機(jī)定標(biāo)誤差、數(shù)字量化效應(yīng)、特征精度與匹配定位精度成正比，與攝像機(jī)基精度，但同時(shí)會(huì)增大圖像間的差異、增加

姿態(tài)誤差為 0.1086°[58, 59]。此外，文獻(xiàn)[60]設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)器人閉環(huán)回路自標(biāo)定的三維位置測(cè)量設(shè)備 TriCal。備安裝了三個(gè)正交分布的精密測(cè)微儀用于測(cè)量球形靶的相對(duì)位置坐標(biāo)，坐標(biāo)測(cè)量分辨為 0.001 mm。采用陀螺儀和加速度計(jì)等慣性元件組合的慣性測(cè)量法也可以用于機(jī)器關(guān)節(jié)角度和末端姿態(tài)測(cè)量。通過測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的角速度和線加速度，應(yīng)用積分計(jì)算即實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的位姿等信息[61, 62]。由于慣性測(cè)量的效果取決于慣性測(cè)量單元（IMU）性能，高精度的 IMU 往往成本高、體積大，其最大的缺點(diǎn)在于由于積分效應(yīng)，誤差隨著時(shí)間的推移而發(fā)散。所以該方法會(huì)有累積誤差，需要定期校正，測(cè)量精度低。天大學(xué)孫長(zhǎng)庫(kù)課題組提出了一種基于 IMU 與單目視覺融合的姿態(tài)測(cè)量方法。用融合結(jié)與慣性測(cè)量結(jié)果的差值修正并更新漂移誤差曲線。該方法既能有效抑制因 IMU 角速漂移引起的測(cè)量誤差，相比視覺姿態(tài)測(cè)量又大幅提高了測(cè)量速度，實(shí)現(xiàn)慣性測(cè)量和視測(cè)量的互補(bǔ)結(jié)合[63]。大型高端裝備制造領(lǐng)域中，基于機(jī)器人技術(shù)的大型裝備智能制造方法與高精度大尺測(cè)量，在大型裝備裝配與制造中已有重要應(yīng)用[39, 64, 65]。圖 1-5 中所示分別為機(jī)器人用飛機(jī)部件裝配定位和大型船體制造過程中的三維掃描測(cè)量。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張麗敏;朱楓;郝穎明;王敏燕;;基于圓特征和異面點(diǎn)特征的位姿測(cè)量[J];光子學(xué)報(bào);2015年11期

2 周濟(jì);;智能制造——“中國(guó)制造2025”的主攻方向[J];中國(guó)機(jī)械工程;2015年17期

3 楊文輝;林嘉睿;高揚(yáng);孟祥瑞;鄒劍;;激光標(biāo)靶位姿測(cè)量系統(tǒng)的建模與誤差分析[J];納米技術(shù)與精密工程;2015年04期

4 劉嬌月;楊聚慶;董登峰;周維虎;;激光跟蹤儀的光電瞄準(zhǔn)與定位系統(tǒng)[J];光學(xué)精密工程;2015年06期

5 任永杰;邾繼貴;吳軍;薛彬;楊凌輝;;采用互掃描法自動(dòng)標(biāo)定工作空間定位系統(tǒng)[J];光學(xué)精密工程;2015年03期

6 楊守瑞;尹仕斌;任永杰;邾繼貴;葉聲華;;機(jī)器人柔性視覺測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法的改進(jìn)[J];光學(xué)精密工程;2014年12期

7 董輝躍;周華飛;尹富成;;機(jī)器人自動(dòng)制孔中絕對(duì)定位誤差的分析與補(bǔ)償[J];航空學(xué)報(bào);2015年07期

8 王田苗;陶永;;我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2014年09期

9 周煒;廖文和;田威;;基于空間插值的工業(yè)機(jī)器人精度補(bǔ)償方法理論與試驗(yàn)[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2013年03期

10 解則曉;辛少輝;李緒勇;徐尚;;基于單目視覺的機(jī)器人標(biāo)定方法[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2011年05期

本文編號(hào)：2879758