基于拉线传感器的工业机器人标定系统设计

摘要

随着国内工业机器人应用范围的不断扩大和完成复杂任务的需要，机器人的精度要求越来越高。机器人标定能够在不改变机械本体结构和设计的前提下，以最小的代价提高机器人的精度。本文研制了一套基于拉线式位移传感器的工业机器人标定系统，该系统能够用来标定机器人的关节零位、几何误差及机械传动误差，并能完成机器人标定后的位置性能测试。
　　为了研究不同模型的参数对工业机器人精度的影响，以OTC六自由度弧焊机器人为原型建立了DH模型、MD-H模型、简化的D-H模型和带关节变量比例系数k的D-H模型。基于这四种不同的运动学模型建立了该机器人距离误差模型，形成多种参数辨识及补偿算法。基于以上算法，在MATLAB中设计了工业机器人的参数辨识软件。最后将辨识的参数补偿到运动学模型再用原数据重新求距离误差，经过分析发现：关节变量比例系数k的引入对于提高机器人精度有很大作用，而关节变量的比例系数k正反映了各关节的机械传动误差。
　　结合当前已有的机器人外部测量产品的性能指标，提出本标定系统的设计指标，并进行了系统方案设计。为了满足机器人工作空间内的大范围测量同时保证系统的经济性，采用了拉线式位移传感器。该传感器原则上只能测量直线位移，为了测量空间任意位置设计了一种滑轮转向机构和拉线适配器。利用研华采集卡PCI1784U的X4编码模式，将编码器的信号四倍频细分，从而进一步提高了系统的测量精度。推导了本标定系统测试的数学模型，并根据本系统的结构特性，设计了简单独特的解复杂非线性方程的方法，解方程时计算迭代次数不超过4次，将解方程的效率提高了15倍。
　　在标定系统数学模型的基础上建立系统误差模型，分析了系统结构参数对系统测量精度的影响，并以此确定系统的机构参数的大小，画出了标定系统的整个测量空间。从转向轮半径误差、转向轴的回转精度、拉线传感器测量误差、部分机构受力变形误差和拉爪轴线不重合度误差五个主要方面分析了标定系统的空间测量误差，证明系统的综合设计精度可以达到0.14mm。
　　完成了标定系统的搭建，包括本体装配、硬件接线及用labview设计了标定系统的测量软件。系统搭建完成后，测试系统结构及传感器参数进行了标定，最后进行了静态精度的测试。实验结果表明，系统能够完成测量任务，但精度不够高，系统的结构需要进一步改进才能更好地实现测量指标要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 机器人标定技术的研究现状

1.3 机器人标定的商业化发展现状

1.4拉线式位移传感器的应用现状

1.5工业机器人标定系统存在的问题

1.6 本文的主要研究内容

第2章 基于运动学模型的标定算法及其实验研究

2.1 OTC六自由度弧焊机器人的运动学模型

2.2运动学误差模型

2.3 标定算法验证实验

2.4 本章结论

第3章 工业机器人标定系统设计

3.1 标定系统的整体设计方案

3.2 系统测量原理

3.3 解非线性方程组的方法及效率

3.4 本章小结

第4章 测量空间及系统误差分析

4.1 测量系统误差模型

4.2 结构参数对精度的影响

4.3 测量空间

4.4 测量误差分析

4.5 本章结论

第5章 工业机器人标定系统搭建与实验

5.1 工业机器人标定系统搭建

5.2 测试系统的参数标定实验

5.3 系统精度测试

5.3 系统存在的问题

5.4 本章小结

结论

参考文献

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