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        基于激光跟蹤儀的Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動學(xué)誤差標(biāo)定

        2013-07-19 06:38:52張文昌梅江平
        關(guān)鍵詞:動臂運動學(xué)并聯(lián)

        張文昌,梅江平,劉 藝,張 新

        (天津大學(xué)機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點實驗室,天津 300072)

        同串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比,并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端由多條支鏈同基座相連,具有負(fù)載能力強,速度快,重復(fù)性好等優(yōu)勢.然而,自由度過約束、被動鉸鏈較多使得其精度較難保證,研究表明制造和裝配引起的幾何誤差是造成并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端位姿誤差的重要原因[1],精度標(biāo)定是改善并聯(lián)機(jī)構(gòu)幾何精度的有效手段,并聯(lián)機(jī)構(gòu)的標(biāo)定方法可以分為自標(biāo)定法[2-4]和外部標(biāo)定法[5-12]兩類.自標(biāo)定法利用內(nèi)部傳感器或施壓外約束獲得測量信息,Chiu等[2]利用安裝在靜平臺和動平臺之間的可伸縮桿實現(xiàn)了對Hexapod并聯(lián)機(jī)床的標(biāo)定;邵珠峰等[3]借助靜平臺上的標(biāo)準(zhǔn)定位圓孔,通過儀器對拉線式編碼器進(jìn)行標(biāo)定,進(jìn)而利用線尺在線測量、記錄機(jī)構(gòu)中的實際位姿,結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)中的理論軌跡,實現(xiàn)了 3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的參數(shù)辨識;常鵬等[4]針對平面三自由度冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)床提出了基于最小線性組理論的分步自標(biāo)定方法,可以屏蔽掉不影響終端精度的無關(guān)參數(shù).自標(biāo)定方法的不足在于有些機(jī)構(gòu)的被動鉸鏈安裝傳感器較為困難甚至不可能(如球鉸鏈).外部標(biāo)定法利用外部傳感器檢測末端位姿信息,并構(gòu)造它們與模型計算值之間的殘差,進(jìn)而通過相應(yīng)的逆解或者正解辨識模型來識別幾何參數(shù).Besnard和 Soons等[5-6]分別探討了檢測末端位姿誤差子集以識別幾何參數(shù)的可行性;黃田等[7-8]提出一種基于最小誤差子集檢測信息的精度標(biāo)定方法,并通過仿真驗證了方法的有效性;常鵬等[9]認(rèn)為并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端精度是由一組最少參數(shù)線性組合決定的,并提出4個定理進(jìn)行最少參數(shù)線性組合的辨識行分析;劉大煒等[10]對一類特殊三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了精度分析,得到機(jī)構(gòu)各誤差源對末端精度的影響因子,并結(jié)合零部件的加工工藝確定需要標(biāo)定的誤差源,他們的研究為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的標(biāo)定奠定了理論基礎(chǔ).Rauf等[11]通過使用一套包括雙周傾角傳感器、線性可變差動變壓換能器以及旋轉(zhuǎn)傳感器的設(shè)備為測量手段對六自由度的 HexaSlide機(jī)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)定研究,使其精度得到了大幅度提高,但魯棒性相對較差.Alberto等[12]以計算機(jī)視覺為測量手段對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的標(biāo)定進(jìn)行了研究,經(jīng)濟(jì)性更強,但這類方法受視覺系統(tǒng)測量精度的限制.

        筆者以Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)為研究對象,在前人工作的基礎(chǔ)上,對影響末端精度的幾何誤差源進(jìn)行了分析和研究,建立了Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動學(xué)誤差模型,進(jìn)而以激光跟蹤儀為測量工具,提出一種步進(jìn)迭代的誤差參數(shù)識別方法,并通過實驗證明所提方法的有效性.

        1 機(jī)構(gòu)運動學(xué)誤差模型

        如圖 1所示,Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)由靜、動平臺和 3條對稱分布的支鏈組成.各支鏈中,主動臂與靜平臺經(jīng)轉(zhuǎn)動鉸連接,從動臂為2條等長的從動桿組成的平行四邊形結(jié)構(gòu),兩端分別與主動臂及動平臺由球鉸連接.3個主動臂在伺服電機(jī)驅(qū)動下可獨立轉(zhuǎn)動,進(jìn)而使動平臺實現(xiàn)三維平動.

        圖1 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)Fig.1 Delta parallel robot

        Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型如圖 2所示,Ci和 Di分別為從動臂與主動臂及從動臂與動平臺連接的球鉸中心連線中點,EiFi為從動臂的一條從動桿.系Oxyz為Delta機(jī)器人坐標(biāo)系,原點O位于機(jī)器人設(shè)計工作空間中心,控制動平臺分別沿x、y軸運動,系Oxyz的x、y軸分別與其重合,z軸滿足右手定則.為了便于建立機(jī)構(gòu)誤差模型,建立支鏈參考坐標(biāo)系 Bixiyizi,xi與鏈中主動臂理想回轉(zhuǎn)軸軸線重合,原點 Bi為 Ci到xi軸的交點,yi軸在△B1B2B3內(nèi).動平臺中心點P在Oxyz下的度量記為r,表示為

        式中:rOBi

        為 Bi點在系Oxyz下的位置矢量;l1i為機(jī)械手主動臂的長度;ui為主動臂單位方向矢量;rCiEi為Ci到 Ei的位置矢量;為 Ei到 Fi的位置矢量;rFiDi為 Fi到 Di的位置矢量;rDiP為 Di到P的位置矢量.

        圖2 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系Fig.2 Delta parallel robot coordinate

        唐國寶等[7]針對該機(jī)構(gòu)的末端精度進(jìn)行了理論方面的探討,指出影響該機(jī)構(gòu)末端精度的全部幾何誤差源在所建立的機(jī)器人坐標(biāo)系下可由 36項參數(shù)表示,其中影響末端姿態(tài)精度的參數(shù) 12項,這些參數(shù)等價于從動臂支鏈的平行四邊形結(jié)構(gòu)對邊是否平行,該機(jī)構(gòu)中姿態(tài)誤差屬于不可控誤差,因此需要通過合理制造裝配工藝保證從動臂的平行四邊形結(jié)構(gòu)來抑制;影響機(jī)構(gòu)末端位置精度的參數(shù) 24項,通過運動學(xué)標(biāo)定可得到有效補償.在保證從動臂平行四邊形機(jī)構(gòu)對邊平行的基礎(chǔ)上,可視從動臂為單桿,將 Ci、Di兩點之間的距離視為從動臂的有效長度,記從動臂的有效長度為 l2i,單位方向矢量為 wi.同時,矢量rDiP、rOBi為常數(shù),式(1)可簡化為

        式中:l2iwi= rCiEi+ rEiFi+rFiDi;bi= rOBi+rDiP.

        記αi表示主動臂轉(zhuǎn)軸軸線關(guān)于yz平面的結(jié)構(gòu)角;βi表示主動臂轉(zhuǎn)軸軸線xi關(guān)于xy平面的結(jié)構(gòu)角;θi表示主動臂繞 xi軸的位置角,理論上 αi=?π / 6 + 2 π( i ?1)/3,βi=0.影響該機(jī)構(gòu)末端位置誤差的24項幾何參數(shù)包括:3項零點誤差Δθ0i,3項軸向互成120°誤差Δαi,3項主動臂驅(qū)動軸軸線相對靜平臺基準(zhǔn)面平行度誤差Δβi,9項主動臂轉(zhuǎn)軸中點位置誤差Δbi(即x向誤差Δbix,y向誤差Δbiy,z向誤差Δbiz),3項主動臂桿長誤差 Δ l1i,3項從動桿桿長誤差 Δ l2i(i = 1 ,2,3),Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 24誤差參數(shù)運動學(xué)逆解模型和運動學(xué)正解模型如下.

        1.1 24參數(shù)運動學(xué)逆解模型

        通過坐標(biāo)系變換得到 ui:令 ui與y軸重合,然后將 ui繞z軸轉(zhuǎn)動 αi?π2,之后再繞yi轉(zhuǎn)動βi,最后再繞xi′軸轉(zhuǎn)動θi.

        將式(2)改寫為

        兩端同乘各自的轉(zhuǎn)置,得

        將iu帶入式(5),并轉(zhuǎn)變?yōu)槿呛瘮?shù)式形式

        式 中 : Ai= ? 2 l1i[ (x ? bix) sin αis i n βi+ ( y ? biy) (? c osαi?sin βi)+(z ? biz) cosβi] ;Bi= ? 2 l1i[ (x ? bix) cosαi+(y ?biy)sinαi];

        結(jié)合機(jī)構(gòu)的裝配模式,得

        1.2 24參數(shù)運動學(xué)正解模型

        將閉環(huán)方程(3)兩端同乘各自的轉(zhuǎn)置,得

        其中 r = [x,y,z]T,將式(9)展開可解得

        2 機(jī)構(gòu)誤差參數(shù)辨識

        2.1 誤差源分析

        影響Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端位置精度的24項幾何參數(shù)是在建立的機(jī)器人坐標(biāo)系下度量的,由于所涉及參數(shù)位置關(guān)系之間的相對性,它們之間存在一定的相關(guān)性,即建立Delta機(jī)器人坐標(biāo)系Oxyz時:

        (1) 若坐標(biāo)系Oxyz原點平移ΔT ,B1、B2、B33點位置矢量誤差同時變化ΔT;

        (2) 若坐標(biāo)系Oxyz繞z軸旋轉(zhuǎn)Δθ,α1、α2、α33個結(jié)構(gòu)角誤差同時變化Δθ;

        (3) 若坐標(biāo)系Oxyz繞 x軸或 y軸旋轉(zhuǎn)一定角度,B1、B2、B33 點和α1、α2、α33 個結(jié)構(gòu)角也同時產(chǎn)生聯(lián)動的誤差.

        因此,可按照如下條件建立 Delta機(jī)器人坐標(biāo)系Oxyz:

        (1) 坐標(biāo)系Oxyz的 xy平面同機(jī)構(gòu) B1、B2、B33點所在平面平行;

        (2) B1點位置矢量無誤差,即 Δ bi=0;

        (3) 支鏈 1主動臂轉(zhuǎn)軸軸線關(guān)于z軸的結(jié)構(gòu)角無誤差,即Δα1=0.

        此時,影響 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端位置精度的幾何誤差參數(shù)可簡化為 18項,如表 1所示,“√”表示需要標(biāo)定計算的誤差參數(shù),“×”表示該項誤差參數(shù)為0,不需要標(biāo)定計算.

        表1 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)幾何誤差源Tab.1 Delta parallel robot geometric errors

        2.2 基于步進(jìn)迭代法的參數(shù)辨識

        運動學(xué)標(biāo)定中的核心內(nèi)容是根據(jù)所使用測量儀器的特點,以實測信息與理想模型輸出之間的殘差為構(gòu)造誤差辨識模型,進(jìn)而識別幾何誤差模型,如圖 3所示.

        圖3 運動學(xué)標(biāo)定過程Fig.3 Kinematic calibration process

        將前述 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正解和逆解映射關(guān)系分別表示為

        式中:p為真實的幾何參數(shù)集合{θ0ibil1il2iαiβi}(i =1,2,3);q為主動關(guān)節(jié)變量{θi}(i= 1 ,2,3).由于幾何誤差源的存在,p中各參數(shù)實際有效值同設(shè)計值之間存在一定的偏差,設(shè) p =p0+Δp,p0表示理想模型中的幾何參數(shù)集合,Δp為幾何參數(shù)誤差.為了辨識幾何誤差參數(shù)Δp,本文借助激光跟蹤儀為測量工具,提出一種步進(jìn)迭代的參數(shù)求取方法.方法描述如下.

        在 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論工作空間中選取 n個測點,各測點的主動關(guān)節(jié)變量 qi可以通過機(jī)構(gòu)理論模型位置逆解獲得,控制機(jī)構(gòu)末端運行至所選取測點處,用激光跟蹤儀測量其在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo).設(shè)任意 2個測點在機(jī)構(gòu)正解模型下的位置坐標(biāo)分別為 ri和 rj,在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的實際坐標(biāo)為 Ri和 Rj.如圖 4所示,Oxyz表示基于正解模型的坐標(biāo)系,為誤差坐標(biāo)系,圖中用折線表示,OwXwYwZw表示激光跟蹤儀坐標(biāo)系.

        圖4 2個測點在2個坐標(biāo)系下的度量Fig.4 Coordinates of 2 points under two coordinate systems

        定義殘差

        定義誤差評價函數(shù)

        理論上存在某一Δp使得L=0,但是由于不可補償誤差、測量誤差等因素的影響,在實際計算時以 L最小為原則來計算Δp.步進(jìn)迭代法求取Δp過程如下.

        步驟 1定義各誤差參數(shù)初始值 Δ p = [ Δp1Δp2…Δpn]和初始搜索步長 s tep = [s1s2…sn],并由式(13)求取L.

        步驟 2 重新確定step,方式如下:對于step的第k個參數(shù),令 Δ pk=Δpk+ ξ ,將 Δ p= [ Δ p1… Δ pk… Δ pn],代入式(13),求取 L′( k =1,2,… ,n)

        若 L ′≤L,sk≥0,則sk←1.5sk;

        若 L ′≤ L ,sk<0,則 sk← ? 0 .5sk;

        若 L ′>L,sk≥0,則sk← ? 0 .5sk;

        若 L ′>L,sk<0,則sk←1.5sk.其中ξ為一微小量,確定step后,令Δ p = Δ p + step,重新求取L.

        步驟3 判斷step模值,即

        若step > ζ,重復(fù)步驟2

        若step ≤ ζ,循環(huán)結(jié)束,此時Δp即為最終結(jié)果,其中ζ為一微小量.不失一般性,在Δp求取時,定義初 始 值 Δp = [00 … 0 ],初 始 搜 索 步 長 s tep=[0.010.01…0.01],微小量ξ = ζ = 1× 1 0?5.

        以任意兩點距離理論值和測量值之間的殘差定義評價函數(shù),通過迭代的方式計算幾何誤差參數(shù),同通用方法相比,省去了牛頓-高斯法求取誤差雅可比矩陣的過程,算法更為簡單.

        3 實 驗

        實驗所用 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)主動臂和從動臂名義長度l1i= 3 50mm,l2i= 9 50mm,主動臂轉(zhuǎn)軸中心位置矢量模長名義尺寸bi=149mm.制造裝配時已經(jīng)保證了末端動平臺姿態(tài)誤差較小(0.1,mm/m),標(biāo)定前首先用水平儀將機(jī)械手3個主動臂置水平,并將該位置定為機(jī)械手初始零點.標(biāo)定前先用激光追蹤儀檢測該并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端在工作空間多個點位的定位精度,測量結(jié)果為:平均體積誤差 0.73,mm,最大體積誤差2.52,mm.

        設(shè)計標(biāo)定測量點位在理想模型中坐標(biāo)如表 2所示,同時用激光跟蹤儀測量機(jī)構(gòu)末端在各個點位時激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的實際空間坐標(biāo)(見圖 5),測量結(jié)果如表3所示.

        表2 測點理論坐標(biāo)Tab.2 Points’ coordinates under robot-coordinate system mm

        表3 激光追蹤儀測量各點位空間坐標(biāo)Tab.3 Points′space coordinates under laser trackercoordinate system mm

        圖5 激光追蹤儀檢測標(biāo)定點空間坐標(biāo)Fig.5 Measurement by laser tracker

        利用第 2節(jié)所述誤差參數(shù)辨識方法進(jìn)行誤差參數(shù)辨識,辨識結(jié)果如表 4所示.利用辨識出的誤差參數(shù)修正 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動學(xué)模型,利用激光跟蹤儀重新檢測其末端的定位精度,測量結(jié)果為:平均體積誤差0.06,mm,最大體積誤差0.26,mm.對18項幾何誤差進(jìn)行辨識補償后,Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度得到大幅度提高,證明了所提方法的有效性.

        表4 誤差源參數(shù)辨識結(jié)果Tab.4 Identification results of geometry errors

        4 結(jié) 論

        (1) 建立了 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)運動學(xué)模型,對影響Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端精度的幾何誤差源進(jìn)行了分析,指出這些誤差源可以簡化為18項.

        (2) 以激光追蹤儀作為測量工具,設(shè)計了一種步進(jìn)迭代的誤差參數(shù)辨識方法,該方法簡單高效,便于實施.并進(jìn)行了標(biāo)定實驗,標(biāo)定前,Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)平均誤差 0.73,mm,最大誤差 2.52,mm.標(biāo)定補償后Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度大幅度提高至平均誤差0.06,mm,最大誤差0.26,mm.

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