面向测量的多关节运动机构误差模型及标定技术研究

摘要

随着汽车制造业的不断发展，基于多关节运动平台的通用工业机器人柔性在线视觉检测技术对车身总成、分总成的质量监测和控制发挥着重大作用。为了保证检测系统的测量精度，必须对系统的各个环节进行标定，其中包含两个最为关键的环节：机器人本体标定，通过对机器人模型参数的准确识别，建立起机器人处于任意姿态时关节变量到末端法兰盘坐标系位姿之间的准确映射关系；现场标定，在复杂的工业现场条件下将各个坐标系统一到全局坐标系下，减小坐标传递过程中的精度损失。论文完成的主要工作有：
　　 1、将具有视觉功能的工业机器人在柔性制造业中的应用领域进行了概括总结，列举了柔性在线视觉检测系统在国内外的应用现状，并对系统中的关键技术进行了详细的阐述。
　　 2、对机器人的正运动学模型进行了分析比较。鉴于DH模型存在不足之处，选择MDH模型作为机器人的正运动学模型，在此基础之上推导机器人的定位误差模型和补偿模型。
　　 3、建立了基于相对位置精度的机器人定位误差补偿模型。利用空间两点的相对位置误差作为修正模型参数的依据，由于表示相对位置的向量包含了3个不同方向的偏差信息，使得标定过程得以简化，更适合在复杂现场条件下采用。
　　 4、对含有平行四边形机构的机器人进行了结构分析。通过四杆机构的另外一条传递路径确定关节坐标系的变换关系，将该机构的传递误差考虑到机器人的定位误差模型之中，并与不考虑四杆机构的补偿模型进行了比较。
　　 5、分析了机械臂柔度误差的产生规律。对悬臂梁受应力的变形情况作了理论分析，在外加负载实验基础上建立了机器人柔性关节模型，进一步建立了外加负载柔度误差补偿模型和机械臂自重柔度误差补偿模型。
　　 6、对机器人运动过程中产生的温度误差进行了有效的补偿。利用多元线性回归方法确定出众多连杆参数中受温度变化影响最为显著的参数，即这些参数对温度误差的产生具有最大贡献，从而建立温度误差补偿模型。
　　 7、进行了白车身柔性在线视觉检测系统的现场标定并对系统的测量数据进行了精度分析。比较了基于测量姿态和基于机器人正运动学模型的两种全局标定方法，利用基于奇异值分解的坐标配准方法动态地建立车身坐标系，使用碳化硅球体作为测量基准对机器人温度误差进行在线动态补偿。

目录

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声明

第一章绪论

1.1工业机器人与柔性制造技术

1.2视觉检测在柔性制造业中的应用

1.3柔性在线视觉检测技术在国内外的应用现状

1.4柔性在线视觉检测的关键技术

1.5机器人本体标定技术的研究现状

1.6本课题的研究意义、研究内容与关键技术

第二章通用工业机器人定位误差及补偿模型

2.1机器人的正向运动学模型

2.1.1 DH模型

2.1.2 M-DH模型

2.2四杆机构模型分析

2.3机器人定位误差补偿模型

2.3.1机器人微分运动模型

2.3.2基于相对位置精度的定位误差模型

2.3.3矩阵方程的求解方法

2.3.4定位精度评价模型

2.4几何参数误差标定实验

2.5本章小结

第三章柔度误差补偿技术研究

3.1机器人的运动姿态和柔度误差

3.2柔度矩阵和刚度矩阵

3.3悬臂梁弯曲形变模型

3.4柔性关节挠性形变模型

3.5柔度误差补偿技术

3.5.1外加负载柔度误差模型

3.5.2机器人自重柔度误差模型

3.6柔度误差补偿实验

3.6.1外加负载柔度误差补偿

3.6.2机器人自重柔度误差补偿

3.7本章小结

第四章温度误差补偿技术研究

4.1机器人的热效应与温度误差

4.2温度误差典型补偿方法

4.2.1温度值作为输入参数的温度误差补偿模型

4.2.2基于有限元分析的温度误差补偿模型

4.3轴动温度误差实验

4.4显著变化模型参数的确定

4.4.1多元统计学与回归分析

4.4.2多元线性回归确定显著变化模型参数

4.5温度误差补偿实验

4.6本章小结

第五章柔性在线视觉检测系统的现场标定技术

5.1视觉检测系统的组成和工作原理

5.2系统全局标定技术

5.2.1基于测量姿态的全局标定技术

5.2.2基于机器人正运动学的全局标定技术

5.3车身坐标系动态构建技术

5.3.1坐标统一原理

5.3.2基于奇异值分解的空间坐标配准

5.4在线动态温度误差补偿

5.4.1测量基准的设计

5.4.2基于测量基准的温度误差补偿技术

5.5视觉检测系统的测量实验

5.5.1测量装置重复性精度实验

5.5.2测量系统重复性精度实验

5.5.3检测系统测量精度实验

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2创新点

6.3工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致 谢