【2020-15】旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)設(shè)計【15張CAD+設(shè)計說明書】

資源目錄

【2020-15】旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)設(shè)計【15張CAD設(shè)計說明書】.zip

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)設(shè)計.docx---(點擊預(yù)覽)

字數(shù)統(tǒng)計.png---(點擊預(yù)覽)

CAD

零件圖全體(共12張).PDF---(點擊預(yù)覽)

零件圖全體(共12張).dwg---(點擊預(yù)覽)

電路圖A0(2018版）.PDF---(點擊預(yù)覽)

電路圖A0(2018版）.dwg---(點擊預(yù)覽)

流程圖A0(2010)版.PDF---(點擊預(yù)覽)

流程圖A0(2010)版.dwg---(點擊預(yù)覽)

0裝配圖A0(2010)版.PDF---(點擊預(yù)覽)

0裝配圖A0(2010)版.dwg---(點擊預(yù)覽)

程序

Calibration20180508.m

LMFsolve.m

ros.m

壓縮包內(nèi)文檔預(yù)覽：(預(yù)覽前20頁/共58頁)

編號：88683662 類型：共享資源大小：4.11MB 格式：ZIP 上傳時間：2020-07-02 上傳人：棒*** IP屬地：湖北

50
積分

舉報

版權(quán)申訴 word格式文檔無特別注明外均可編輯修改；預(yù)覽文檔經(jīng)過壓縮，下載后原文更清晰！ 立即下載

關(guān) 鍵詞：: 2020-15 15張CAD+設(shè)計說明書 2020 15 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 機器人絕對定位精度標定系統(tǒng) 設(shè)計 CAD 說明書

資源描述：: 【2020-15】旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)設(shè)計【15張CAD+設(shè)計說明書】,2020-15,15張CAD+設(shè)計說明書,2020,15,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),機器人,絕對,定位,精度,標定,系統(tǒng),設(shè)計,CAD,說明書

內(nèi)容簡介：: 摘要旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人的末端定位精度分為重復(fù)定位精度和絕對定位精度，由于機械加工、裝配等方面的影響，絕對定位精度較低。為了解決這一問題，采用標定技術(shù)來提高絕對定位精度，就是軟件的補償方法。本文采用基于雙PSD的標定裝置，首先要對機器人建立運動學(xué)模型并且推導(dǎo)標定算法；然后進行機械部分設(shè)計，包括機器人末端連接的法蘭盤和PSD夾具；對于電路部分，需要設(shè)計一個電路板，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬運算、信號處理以及與工業(yè)計算機通訊等功能；最后根據(jù)標定流程進行編程。通過實驗驗證，該標定裝置工作穩(wěn)定，能夠有效補償各種因素造成的末端位置誤差。關(guān)鍵詞：運動學(xué)模型標定算法 PSD信號處理 IAbstractTheendpositioningaccuracyofrotaryjointrobotcanbedividedintorepeatablepositioningaccuracyandabsolutepositioningaccuracy.Duetotheinfluenceofmachiningandassembly,theabsolutepositioningaccuracyislow.Inordertosolvethisproblem,thesoftwarecompensationmethodistoadoptcalibrationtechnologytoimprovetheabsolutepositioningaccuracy.Inthispaper,acalibrationdevicebasedondoublePSDisadopted.Firstly,kinematicsmodeloftherobotisestablishedandcalibrationalgorithmisderived.Thenthemechanicalpartisdesigned,includingtheflangeconnectingtherobotendandthePSDclamp.Forthecircuitpart,weneedtodesignacircuitboard,whichcanrealizeanalogcomputation,signalprocessingandcommunicationwithindustrialcomputers.Finally,programmingiscarriedoutaccordingtothecalibrationprocess.Experimentsshowthatthecalibrationdeviceworksstablyandcaneffectivelycompensatetheendpositionerrorcausedbyvariousfactors.Keywords:Kinematic model；Calibration algorithm；PSD signal processingII目錄摘要IAbstractII目錄III第1章緒論11.1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)設(shè)計目的11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1運動學(xué)建模研究現(xiàn)狀11.2.2 末端位姿測量研究現(xiàn)狀11.2.3 參數(shù)辨識研究現(xiàn)狀21.2.4 誤差補償研究現(xiàn)狀21.3 擬采取的研究路線21.4 進度安排3第2章旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)工作原理52.1 整體系統(tǒng)工作原理概述52.2 建立機器人運動學(xué)模型62.3 PSD工作原理112.4 機器人標定算法推導(dǎo)122.4.1 利用PSD的機器人自標定原理122.4.2 機器人零位偏差自標定算法推導(dǎo)132.4.3 機器人空間位姿自標定算法推導(dǎo)16第3章旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)機械設(shè)計203.1 LR Mate 200iD標準型機器人簡介203.2 一種常用激光器簡介213.3 法蘭盤結(jié)構(gòu)設(shè)計223.3.1 LR Mate 200iD機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)223.3.2 法蘭盤設(shè)計233.4 PSD夾具設(shè)計233.4.1 PSD選型233.4.2 V形夾具設(shè)計24第4章旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)電路設(shè)計254.1 PSD元件產(chǎn)生信號原理254.2 放大電路設(shè)計254.3 模擬運算電路設(shè)計264.4信號處理模塊設(shè)計284.4.1 采樣保持器選型284.4.2 模擬多路轉(zhuǎn)換器選型294.4.3 AD轉(zhuǎn)換器選型304.4.4 單片機選型314.5 通信模塊設(shè)計314.6 顯示電路設(shè)計324.7 電源模塊設(shè)計334.8總電路圖34第5章旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)軟件設(shè)計355.1 標定系統(tǒng)工作流程概述355.2 采集末端位置和姿態(tài)流程355.3 零位偏差自標定流程365.4 空間位姿自標定流程37第6章工程定額概算386.1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)成本核算386.1.1 非標設(shè)備成本預(yù)算386.1.2 外購件成本核算386.2 自制器件對環(huán)境影響以及可持續(xù)性39結(jié)論與展望40結(jié)論40展望40參考文獻41致謝43附錄44IV第1章緒論1.1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)設(shè)計目的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度是末端執(zhí)行器到達期望位置的精確度。本課題研究的目的和意義就是采用標定技術(shù)，提高機器人的絕對定位精度，補償機械加工誤差、裝配誤差、以及零件磨損等因素帶來的誤差，使機器人能夠從容面對各種復(fù)雜、狹窄的環(huán)境，從而避免不必要的損失。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人的研究一般都經(jīng)過以下幾個步驟：首先是建立運動學(xué)模型，之后是進行末端實際位姿測量，再之后是確定所要求解的誤差并進行參數(shù)辨識，最后是誤差補償，使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人達到理想位姿，也就完成了機器人標定。1.2.1運動學(xué)建模研究現(xiàn)狀進行機器人研究時，需要描述機器人桿件和關(guān)節(jié)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在機器人研究領(lǐng)域，首選的建模方法一定是DH建模法，各種各樣的機器人建模都可以用它來解決。不過使用DH方法建立的運動學(xué)模型也并非完美無瑕，面對機器人有相鄰兩個關(guān)節(jié)平行的這種情況，由于奇異問題，無法順利進行接下來的參數(shù)辨識工作。為了解決這個問題，研究學(xué)者們提出了許多有效的方法。最經(jīng)典的就是改進的MD-H模型，針對奇異問題，增加了一個新的幾何參數(shù)來代替連桿偏距d建立運動學(xué)模型，是繞y軸的旋轉(zhuǎn)項，這就是MDH模型。當(dāng)Z軸平行時，用替換d再建立幾何參數(shù)表，根據(jù)這個幾何參數(shù)表，再次建立一個坐標變換公式。這樣就采用MDH方法成功建立了運動學(xué)模型1。不過MDH模型也是上個世紀八十年代的研究成果了，逐漸地人們也發(fā)現(xiàn)它的缺點，如果相鄰關(guān)節(jié)軸線垂直或接近垂直時，它也不符合連續(xù)性原則，依舊會出現(xiàn)令人頭疼的奇異問題。后來人們就提出了更多的改良方法。我們國家的機器人研究在世界上相對較晚了，劉海濤在2012年使用了一種奇異分離和指數(shù)級阻尼倒數(shù)相結(jié)合的建模方法，解決了DH建模的奇異問題2。1.2.2 末端位姿測量研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外標定技術(shù)按照是否依靠外部測量儀器分為開環(huán)標定技術(shù)和閉環(huán)標定技術(shù)。開環(huán)標定技術(shù)是通過依靠外部測量設(shè)備測量機器人末端實際位置，比如任永杰等人使用激光測量儀測得末端實際位置3。開環(huán)標定成本較高，本文不做詳細闡述。本課題將研究運動鏈閉環(huán)標定技術(shù)，目前國內(nèi)外的閉環(huán)標定技術(shù)主要分為物理約束標定技術(shù)和視覺標定技術(shù)。物理約束標定技術(shù)最主要是點約束和面約束兩種，Meggiolaro等人提出一種點約束方法，將一個球關(guān)節(jié)設(shè)備布置在機器人可達范圍內(nèi)，改變機器人的運動姿態(tài)，關(guān)節(jié)傳感器測量關(guān)節(jié)角度并且轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過放大、AD轉(zhuǎn)換、運算等處理，在計算機中計算得到機器人末端位置16。加拿大蒙特利爾高等技術(shù)學(xué)院Nicholas等人使用阻抗控制器和帶有三個精密球體的校準板校準7自由度機器人17。在國內(nèi)，谷樂豐采用了一種光柵式測微儀配合球桿裝置的新型裝置進行自標定4，劉振宇等人也用了一種簡單且高效的方法測量機器人末端執(zhí)行器位置5。1.2.3 參數(shù)辨識研究現(xiàn)狀參數(shù)辨識是機器人標定中的關(guān)鍵步驟，在進行參數(shù)辨識之前首先要確定應(yīng)該辨識的參數(shù)，一般是指誤差模型中的待求解的誤差值，因為機器人不是簡單的運動學(xué)分析，它的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，根據(jù)幾何關(guān)系建立等式方程組，待求解的誤差值很多，這時就必須借助參數(shù)辨識算法來最優(yōu)化求解誤差數(shù)值，然后根據(jù)這些最優(yōu)解更改運動學(xué)模型參數(shù)。最小二乘法是一種比較簡單的參數(shù)辨識算法，雖然簡單方便、通用性強，但是它存在一定的缺點和不足，Lim H等人在2009年發(fā)現(xiàn)如果沒有選取到合適的參數(shù)辨識初值，局部收斂和發(fā)散的問題就在所難免18。Levenberg-Marquardt 算法是一種比最小二乘法更全面的辨識算法，如果將它和其他算法結(jié)合進行參數(shù)辨識，應(yīng)該會得到不錯的效果。比如丁學(xué)亮在2014年在進行機器人標定研究時，結(jié)合了篩選算法和LM算法成功辨識出了運動學(xué)參數(shù)6。隨著科技的發(fā)展，對機器人的研究日益增多，人們對經(jīng)典的參數(shù)辨識算法逐漸改良，得到了上述所說的各種辨識算法，為機器人標定帶來了不少方便，大幅提高了機器人標定的精度和效率。1.2.4 誤差補償研究現(xiàn)狀誤差補償是最后一步，針對辨識出的誤差參數(shù)，通過合適的算法實現(xiàn)對機器人位姿補償?shù)倪^程。完成誤差補償也就意味著結(jié)束了機器人標定。陳宵燕等在2017年提出一種基于均勻數(shù)據(jù)場的空間反距離平方加權(quán)插值算法對機器人位姿誤差進行補償7。1.3 擬采取的研究路線擬采取的研究路線如下圖所示，根據(jù)此研究路線逐步進行：圖1-1 研究路線圖1.4 進度安排第 1 周第 3 周查閱參考文獻，確定系統(tǒng)方案；第 4 周第 8 周設(shè)計總體方案；第 9 周第 10 周設(shè)計機械及電控系統(tǒng)；第 11 周第 12 周設(shè)計標定算法；第 13 周第 14 周設(shè)計軟件系統(tǒng)；第 15 周第 16 周撰寫畢設(shè)說明書。第2章旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)工作原理2.1 整體系統(tǒng)工作原理概述標定技術(shù)過程大致是：首先，要想實現(xiàn)機器人關(guān)節(jié)零位誤差標定，必須要建立適當(dāng)?shù)臋C器人運動學(xué)模型，對此，最常用的方法就是DH建模法，為了解決奇異問題，可以使用改良后的MDH方法進行建模。然后使機器人末端達到特定位姿，根據(jù)機器人關(guān)節(jié)零位偏差，將之前得到的各關(guān)節(jié)齊次變換矩陣改寫，加入每個關(guān)節(jié)的零位偏差，得到M坐標系在B坐標系中的位姿轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)幾何關(guān)系列寫方程組，再通過Levenberg-Marquardt算法最優(yōu)化求解得到機器人關(guān)節(jié)偏置量，最后根據(jù)各個關(guān)節(jié)偏置量修改運動學(xué)模型中的參數(shù)，獲得正確的機器人正向運動學(xué)模型參數(shù)并控制機器人達到真實位姿。在零位偏差自標定之后，可以進行空間位姿標定，能夠利用四元數(shù)法表示工件坐標系和基座坐標系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，并借助激光線方程計算得到位姿變換矩陣中的平移位置關(guān)系。標定系統(tǒng)工作的主流程如下：圖2-1 機器人標定系統(tǒng)工作主流程根據(jù)機器人標定工作原理，需要用到工業(yè)機器人、法蘭盤、半導(dǎo)體激光器、PSD位置傳感器、PSD夾具、信號運算及處理電路板、以及工業(yè)計算機與機器人控制器。本文使用如下標定系統(tǒng)的概念圖如下：圖2-2 標定系統(tǒng)示意圖其中激光器（4）通過法蘭盤（3）固定安裝在工業(yè)機器人末端執(zhí)行器（2）上，V形夾具（9）用來安裝兩個位置傳感器PSD（7）和（8）。激光器（4）隨著機械手末端移動，通過法蘭盤（3）固定在機器人末端執(zhí)行器（2）上，使激光束從PSD（7）入射，并反射在PSD（8）上，通過運算電路（10）和信息處理電路（11）得到激光光斑精確位置，并交給工業(yè)控制計算機（12），其中，信號處理電路（11）與工業(yè)控制計算機（12）需要通信電路連接，傳遞信息。然后，工業(yè)控制計算機（12）計算出相應(yīng)的控制量交給機器人控制器（13），使其直接推動機器人末端執(zhí)行器（2）移動，在PSD（7）和（8）的表面中心點得到精確的激光光斑和反射光斑，構(gòu)成虛擬線約束，上圖中的三個坐標系分別是：機器人基座坐標系B，工件空間坐標系P和機器人末端坐標系M。2.2 建立機器人運動學(xué)模型首先，給機器人的每個關(guān)節(jié)處都建立一個坐標系，以便對它進行分析，這也就是我們常用的DH方法建立運動學(xué)模型。下圖就直觀地展示了應(yīng)該怎樣建立坐標系才能反映最接近的兩個連桿之間位姿變換關(guān)系。首先，借助右手定則來確定關(guān)節(jié)軸線，也就是圖中顯示的Z軸；然后，我們可以在圖中看到，指向下個關(guān)節(jié)的軸線是兩個相鄰關(guān)節(jié)軸線的公垂線，把它記為X軸，當(dāng)然對于機器人來說，每兩個相鄰的關(guān)節(jié)軸線不一定存在公垂線，這時可以分為兩種情況：第一種就是兩個相鄰軸線平時，這時把和關(guān)節(jié)軸線即Z軸相交的公垂線定義為X軸，第二種情況就是兩個相鄰軸線不是平行關(guān)系，可以把這兩個軸線構(gòu)成平面的垂線定義為X軸。根據(jù)坐標系三個軸之間的位置關(guān)系，X、Z軸已知，把他們之間的交點設(shè)為原點，便可以輕松得到Y(jié)軸8。圖2-3 連桿D-H模型圖借助上述方法，我們成功地建立了連桿坐標系，接下來可以使用四個幾何參數(shù)來直觀方便地描述兩個相鄰桿件坐標系之間的位置和方向關(guān)系。它們分別是：連桿長度ai：兩個相鄰的連桿坐標系，順著xi-1軸方向，從zi-1軸平移至zi軸的距離；連桿扭角i：兩個相鄰的連桿坐標系，繞著xi-1軸方向，從zi-1軸旋轉(zhuǎn)到zi軸的角度；連桿偏距di ：兩個相鄰的連桿坐標系，順著zi軸方向，從xi-1軸平移至xi軸的距離；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角i：兩個相鄰的連桿坐標系，繞著zi-1軸方向，從xi-1軸旋轉(zhuǎn)到xi軸的角度。基于DH建模，可以使用如下方法把第一個關(guān)節(jié)的坐標系轉(zhuǎn)換到第二個關(guān)節(jié)。第一步，繞zi-1軸旋轉(zhuǎn)i，目的是得到xi-1軸與xi軸的平行關(guān)系;第二步，沿著旋轉(zhuǎn)后的zi-1軸方向平移di的長度，使xi-1軸和xi軸能夠在同一條直線上;第三步，沿旋轉(zhuǎn)平移后的xi-1方向平移ai距離，把兩個坐標系原點和二為一；最后一步，變換后的zi-1軸繞xi旋轉(zhuǎn)角度i，使zi-1軸能夠和zi軸重合。按照坐標系建立原則，在每個關(guān)節(jié)都建立坐標系，如下圖所示：圖2-4 D-H參數(shù)坐標系再根據(jù)前面建立的連桿坐標系和建模規(guī)則，可得出LR Mate 200iD型號的標準型六自由度工業(yè)機器人的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖：圖2-5 坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系圖最后根據(jù)運動范圍圖和關(guān)節(jié)坐標系可以得到DH參數(shù)表如下：表2-1 DH參數(shù)表i（）范圍i （）di （mm）ai （mm）i （）1340033050-902245-900330034200035-90438003350905250000-90672008000結(jié)合位姿變換矩陣，可以使用如下公式來指示i-1坐標系變換到i坐標系的關(guān)系： (2-1)其中，Trans（a,b,c）是平移齊次變換，表示為：(2-2)繞固定坐標系的三個坐標軸分別做旋轉(zhuǎn)變換，可以得到Rot（xi，ai）、Rot（yi，ai）或Rot（zi，ai），定義為旋轉(zhuǎn)角度，能夠得到齊次旋轉(zhuǎn)變換矩陣如下：(2-3)(2-4)(2-5)因此可以得到如下六個變換矩陣：(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)(2-11)其中和各自代表和，能夠在DH參數(shù)表中查找的值。不難理解，T矩陣也可以采用上述A矩陣來表示：(2-12)按照上式，如果一個工業(yè)機器人有6個自由度，可以使用下列公式指示第i-1個連桿坐標系和機器人末端的坐標系即第六個坐標系之間的關(guān)系：(2-13)因此，基坐標系到機器人末端的總變換矩陣一定可以按照如下方法表示表示：(2-14)上式中各個參數(shù)的值分別為：式中，。得到關(guān)于連桿長度a、連桿扭角、關(guān)節(jié)偏移d、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的DH參數(shù)表，就可以通過一定關(guān)系推出機器人的位姿，實現(xiàn)正運動學(xué)分析。但是DH建模有解決不了的問題，就是機械臂的第二軸關(guān)節(jié)和第三軸關(guān)節(jié)理論上是平行的，但是由于加工時的各種因素，生產(chǎn)出來的實際產(chǎn)品一定不是絕對平行的，這就造成了一個矛盾，所以對于2、3軸，可以采用MDH方法建模，增加新的幾何參數(shù)來代替連桿偏距d，得到一個新的幾何參數(shù)表和坐標變換公式。表2-2 MDH參數(shù)表i（）范圍i （）di （mm）ai （mm）i （）i 13400050-90-2245-9003300- 34200035-90043800335090-5250000-90-672008000-修正后的坐標變換矩陣為：(2-15)(2-15)2.3 PSD工作原理圖2-6 二維枕形PSD的結(jié)構(gòu)原理圖二維直角坐標系的原點是PSD的中心O點，上圖左下方展示了X軸和Y軸的的方向；激光光斑重心所在位置是O點，可以把它的坐標值設(shè)為(x,y)。PSD的工作原理是：光線從PSD的表面入射，然后在PSD內(nèi)就會產(chǎn)生電流，光生電流會被分成4路，然后通過4個電極進行輸出；光斑重心的位置距離每個電極的長度會直接影響四個電極的輸出電流強度。首先要對輸出電流進行轉(zhuǎn)換，然后再進行數(shù)據(jù)處理，這樣就可以根據(jù)以下公式得到PSD光斑重心位置坐標值9，如下：(2-16)2.4 機器人標定算法推導(dǎo)2.4.1 利用PSD的機器人自標定原理開環(huán)標定與閉環(huán)標定是機器人標定的兩種主要方法，開環(huán)標定需要使用外部測量儀器，本文不予采用，本設(shè)計選用的標定方法是一種虛擬閉環(huán)運動學(xué)鏈方法，可以稱作PSD與虛擬空間線約束的一種自標定方法10。根據(jù)要求，兩個位置傳感器選用二維枕形PSD，分辨率達 0.1m，有效表面直徑為 10mm，對于激光器，可以選用功率3m W，波長650nm，光斑直徑為 1mm的可調(diào)焦距精密半導(dǎo)體激光器，在標定過程中，控制機器人末端執(zhí)行器移動，通過末端的法蘭盤帶動激光器移動，使機器人末端坐標系M的 X 軸方向和將要從第一個PSD入射的激光束方向相同。經(jīng)過放大電路放大的信號直接交給信號處理電路處理，得到激光光斑在PSD表面的二維位置坐標，機器人的姿態(tài)由它作為反饋信號精確控制。激光器通過法蘭盤連接在機器人末端執(zhí)行器上，發(fā)射激光束從第一PSD或者第二PSD入射，形成投射光斑和反射光束，通過將反射光束投射到第二PSD或第一PSD上，形成反射光斑，通過閉環(huán)控制，使所述投射光斑定位在第一PSD或第二PSD的中心點位置，使所述反射光斑定位在第二PSD或第一PSD的中心點位置，記當(dāng)前機器人末端所處位置為第一位置P1，并且根據(jù)運動學(xué)模型來得到相應(yīng)的6個關(guān)節(jié)角度值。多次執(zhí)行上述步驟，我們一共需要得到四個位置，將他們分別記錄為P1、P2、P3和P4，需要注意的是，其中P1和P2在一條直線上，而P3和P4在另一條直線上。每記錄一個位置，就要根據(jù)運動學(xué)模型計算相應(yīng)的6個關(guān)節(jié)角度值。要想實現(xiàn)機器人零位偏差自標定和空間位姿自標定，需要借助剛剛得到的這四個位置以及他們相應(yīng)的關(guān)節(jié)角度值，根據(jù)幾何關(guān)系，建立兩條虛擬約束線的幾何方程組，它們由兩個的中心點連線分別在兩個表面反射形成。由于機器人關(guān)節(jié)零位偏差的存在，可將之前得到的各關(guān)節(jié)齊次變換矩陣可改寫為：(2-17)上述公式中是指，而指的是，是第i 個關(guān)節(jié)的零位偏差，M坐標系在B坐標系中的位姿可改寫成如下轉(zhuǎn)換矩陣：(2-18)在這個正運動學(xué)方程中，其實只需要標定五個關(guān)節(jié)零位偏差，也就是，因為第1個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角取決于機器人基座坐標系B的選取，所以它不會產(chǎn)生影響。2.4.2 機器人零位偏差自標定算法推導(dǎo)在實際操作中，為了計算更加簡單，需要把激光器的位置和機器人末端執(zhí)行器的位置看成一個。這就需要我們在標定開始前進行一些處理。激光器是和機器人末端通過法蘭盤緊緊連接固定在一塊的，實際上它們之間的相對位置是一成不變的。因此，能夠非常容易地對激光器和機器人末端進行預(yù)標定，這樣在接下來的計算中，就可以把激光器的位置和機器人末端位置看成一個。定義在第j(j =1,2,3,4)個機器人位置下，機器人末端執(zhí)行器（2）在機器人基座坐標系B中的坐標為Pj，可以得到：(2-19)基于兩點確定一條直線的原理，通過機器人末端所處的第一位置和第二位置，建立一組由兩個位置傳感器的中心點連線在第一個位置傳感器表面反射所形成的虛擬約束線的幾何方程組（經(jīng)過第一PSD表面反射后激光線的幾何方程組），通過機器人末端所處的第三位置和第四位置，建立另一組由兩個位置傳感器中心點連線在第二表面反射所形成的虛擬約束線即反射線的幾何方程組。 (2-20)我們可以將基于兩個位置反饋的機器人定位誤差忽略，同時對于機器人零點位置偏差和桿件參數(shù)誤差也不予考慮，這樣一來，機器人的四個位置就分別位于兩條反射線（5）和（6）上，也就是在連接兩個位置傳感器表面中心點和機器人末端的兩條直線上。但現(xiàn)實情況是，對于機器人桿件參數(shù)誤差，我們不能夠?qū)⑺雎?，也就是說，機器人末端的四個位置分布在反射線和反射線附近的某個區(qū)域內(nèi)，因此，可以使用迭代算法計算機器人桿件誤差參數(shù)，達到機器人的四個位置無限收斂于兩條反射線也就是實際的激光束5和激光束6的目的。根據(jù)兩條虛擬約束線的關(guān)系構(gòu)成以下函數(shù)，之后最小化這個目標函數(shù)，優(yōu)化求解得到機器人零點位置偏差和機器人桿件參數(shù)誤差，實現(xiàn)機器人零位偏差自標定：(2-21)其中，(2-22)上面的式子是非線性最小二乘問題，我們需要求解得到五個未知參數(shù)，并且要得到他們的最優(yōu)解，這是一個復(fù)雜且困難的問題，可以采取通用的LM非線性最優(yōu)化算法來得到最小化的平方誤差的和。Levenberg-Marquardt 算法是一種迭代求函數(shù)極值的算法，LM算法可以說是牛頓法求極值與梯度法求極值兩個算法的綜合。LM算法的公式是：(2-23)可以看出該公式在高斯牛頓公式H上加一個調(diào)節(jié)因子I，其中是步長，I是單位矩陣（因為H是矩陣，所以這里要用矩陣形式表示步長）。LM算法的特點是，當(dāng)下降太快時使用較小的，使整個公式接近高斯牛頓法；當(dāng)下降太慢時使用較大的，使整個公式接近梯度法。設(shè)有如下關(guān)系式：(2-24)其中，可以得到：(2-25)函數(shù)f具有二階連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)，用足夠小的將f在x的鄰域泰勒展開：(2-26)上式中屬于雅可比矩陣，通過上式將進行泰勒展開，可得：(2-27)LM算法的步長hIm通過以下公式得到：(2-28)上式中代表阻尼系數(shù)，應(yīng)該滿足0。設(shè)，的初值0選取受 A 的初值A(chǔ)0（x的初值是x0）中的元素影響，能夠通過下列公式得到：(2-29)公式中的數(shù)值與實際的情境相關(guān)。如果x0是最優(yōu)解的較好估計時，應(yīng)該令為較小值（比如=10-6）；相反的話，應(yīng)該令為較大值。需要說明的是，可直接使用=103 或者=1 。的更新是更新率決定的，的表達式為：(2-30)如果計算出來的值較大，說明 L( hlm)是對 F( x+ hlm )較好的線性近似，這時可以減小的值；如果計算得到的值較小，說明是 L( hlm)對 F( x+ hlm )較差的線性近似，這時可以增加的值。下面是阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)方法：(2-31)LM算法的收斂條件是：(2-32)需要根據(jù)實際情況選取的數(shù)值，它們都是較小的正數(shù)，k代表循環(huán)次數(shù)。根據(jù)這個算法，最終能夠計算出關(guān)節(jié)偏置量。在迭代優(yōu)化求解得到機器人關(guān)節(jié)零位偏差后，進行最后一步，也就是誤差補償。誤差補償?shù)牟襟E很好理解，首先計算機根據(jù)參數(shù)辨識得到的零位偏差以及建立好的運動學(xué)模型，可以獲得新的運動學(xué)參數(shù)，新的運動學(xué)參數(shù)對應(yīng)的就是期望的位姿以及末端位置。然后計算機把信息傳送給機器人控制器，控制器直接推動機器人根據(jù)相應(yīng)的指令運動，以達到一個期望的末端位置和姿態(tài)。這樣就完成了機器人的零位偏差自標定。2.4.3 機器人空間位姿自標定算法推導(dǎo)解得機器人的零位偏差后，根據(jù)零位偏差值重新得到機器人四個位置上分別對應(yīng)的正運動學(xué)齊次變換矩陣。根據(jù)P1和P2在P坐標系中的位置，得到激光束相對于P坐標系的單位方向向量。再根據(jù)四個末端位置在B坐標系中的空間坐標，或P1和P3相對于B坐標系的空間位姿，求出反射激光束相對于B坐標系的單位方向向量。反射激光束在B坐標系中的單位向量vj為(2-33)因為是通過同一個旋轉(zhuǎn)變換矩陣將每條虛擬約束線在V形夾具上的工件空間坐標系P中的單位向量和在機器人基座坐標系B中的單位向量完成轉(zhuǎn)換，所以想要求解出該旋轉(zhuǎn)變換矩陣，四元數(shù)法是一種非常合適的方法11。四元數(shù)法是一種能夠很方便地計算軸角表示的方向變換的方法。四元數(shù)是復(fù)數(shù)，實際上可以解釋為它是存在三個虛部的復(fù)數(shù)，寫成公式直觀地表示出來就是：，其中i，j和k是虛數(shù)單位，滿足，且。對于本文中復(fù)雜的系統(tǒng)和機器人，需要多次轉(zhuǎn)變方向的過程。這種情況下四元數(shù)的優(yōu)勢非常明顯。首先，它不需要龐大的運算量；其次，如果運算過程中變換次數(shù)很多，會導(dǎo)致存儲空間數(shù)量也隨之變多，想要節(jié)約存儲空間的話，四元數(shù)法是一個非常好的選擇；另外四元數(shù)法還解決了Ambiguity的問題。因此，本文我將使用四元數(shù)法進行運算。根據(jù)四元數(shù)法，有：(2-34)其中，LB和LP分別指示在機器人基座坐標系B和工件空間坐標系P中激光束的單位方向向量，表示一個以虛軸的方向為轉(zhuǎn)軸，角度為的轉(zhuǎn)動。q是旋轉(zhuǎn)矩陣的四元數(shù)形式，而是一個三維單位向量，也就是。和分別為單位四元數(shù)q的實部和虛部；q*表示單位四元數(shù)q的共扼四元數(shù)。根據(jù)以上說明，可以得出：(2-35)定義一斜對稱矩陣（v）如下：(2-36)令，由于整個標定過程中兩條虛擬的線約束的存在，一定會有以下關(guān)系： (2-37)分別定義，能夠得到：(2-38)上式中g(shù)可以通過最小二乘法計算得出，而和可以通過以下公式求出：(2-39)(2-40)而齊次變換矩陣中的旋轉(zhuǎn)變換矩陣R可以通過以下式子求得:(2-41)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣R，對于每一條虛擬線約束建立以下關(guān)系：(2-42)其中，k的值為1或2，表示位置傳感器中心點在工件空間坐標系P中的位置坐標；表示位置傳感器中心點在機器人基座坐標系B中的位置坐標；表示激光器在基座坐標系B中的位置坐標，這個坐標值能夠借助之前得到的分別求出。令，能夠得到下列方程式： (2-43)計算該式可以得到，如下：(2-44)由此，能夠得出位置傳感器夾具上的工件空間坐標系P相對于機器人基座坐標系B的齊次變換矩陣，如下：(2-45)這就成功結(jié)束了機器人空間位姿的自標定。第3章旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)機械設(shè)計3.1 LR Mate 200iD標準型機器人簡介我選擇的是上海發(fā)那科機器人公司的LR Mate 200iD型號的機器人。它是一款大小和人的手臂相近的迷你機器人，因為它的身材比較迷你，所以能夠勝任在比較狹窄空間中的工作活動。根據(jù)不同的工作環(huán)境，LR Mate 200iD型號的機器人可以分為幾種不同的類型，本設(shè)計中我選用的是LR Mate 200iD型號的標準型機器人。它工作時的可達半徑是717mm，采用高剛度手臂和尖端伺服控制技術(shù)。下圖是LR Mate 200iD型號的標準型機器人的外形。圖3-1 LR Mate 200iD型號的標準型機器人LR Mate 200iD型號的標準型機器人的運動范圍圖如圖3-2所示：圖3-2 LR Mate 200iD型號的標準型機器人運動空間范圍圖主要規(guī)格參數(shù)如下表所示：表3-1 LR Mate 200iD型號的標準型機器人規(guī)格參數(shù)控制軸數(shù)6可達半徑717mm動作范圍（最高速度）J1軸340（450/s）J2軸245（380/s）J3軸420（520/s）J4軸380（550/s）J5軸250（545/s）J6軸720（1000/s）手腕部可搬運質(zhì)量7Kg手腕允許負載轉(zhuǎn)矩J4軸16.6NmJ5軸16.6NmJ6軸9.4Nm手腕允許負載轉(zhuǎn)動慣量J4軸0.47KgmJ5軸0.47KgmJ6軸0.15Kgm重復(fù)定位精度0.02mm機器人質(zhì)量25Kg3.2 一種常用激光器簡介本文選用一種650nm，5mw的可調(diào)光斑大小、可調(diào)焦半導(dǎo)體激光器。圖3-3 激光器外形產(chǎn)品規(guī)格說明如下表所示：表3-2 激光器參數(shù)尺寸1030mm材質(zhì)環(huán)保鋁表面處理/顏色表面氧化霧黑處理（防靜電）連續(xù)使用壽命10000小時輸出波長650nm5nm輸出功率 5mw輸出波段紅光激光器工作性質(zhì)半導(dǎo)體激光器光學(xué)鏡片高品質(zhì)亞克力PMMA鏡片 A級光斑形狀/直徑點狀，橢圓形光斑電路控制APC線路工作電壓DC=3V5V，可用兩顆干電池啟動工作電流I40mA導(dǎo)線150MM紅黑電子線工作溫度-1070貯存溫度-2080模組構(gòu)成半導(dǎo)體激光二極管+外套筒+優(yōu)質(zhì)透鏡+帶IC驅(qū)動電路板+導(dǎo)線3.3 法蘭盤結(jié)構(gòu)設(shè)計由于激光器需要連接在機器人末端執(zhí)行器上，根據(jù)機器人末端執(zhí)行器的外形以及尺寸，需要設(shè)計一個法蘭盤連接在機器人末端執(zhí)行器上，然后激光器再固定在法蘭盤上，這樣就達到了激光器固定在機器人末端的目的。3.3.1 LR Mate 200iD機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)機器人手冊，可知機器人末端執(zhí)行器如下圖所示：圖3-4 機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)根據(jù)LR Mate 200iD型號的標準型機器人的末端執(zhí)行器，可以制造一個法蘭盤與之連接，再把激光器連接在法蘭盤上。3.3.2 法蘭盤設(shè)計對于連接機器人和激光器的法蘭盤按照如下尺寸制作，材料選用45鋼，制作時嚴格按照尺寸加工。如圖所示，法蘭盤需要通過4個M5內(nèi)六角螺釘和機器人末端執(zhí)行器相連接；由于激光器外觀是1030mm的圓柱形，可以通過一個尺寸為M35的壓緊螺釘固定在法蘭盤中心孔里，這樣激光器就成功連接在機器人末端執(zhí)行器上。圖3-5 法蘭盤結(jié)構(gòu)3.4 PSD夾具設(shè)計3.4.1 PSD選型本文選用的PSD型號為PSD-1010，其性能指標如下表所示：表3-3 PSD參數(shù)型號有效面積（mm*mm）分辨率（m）響應(yīng)時間（s）響應(yīng)光譜（nm）PSD-101010*1010.83801100PSD-1010的實物圖如下：圖3-6 PSD實物3.4.2 V形夾具設(shè)計按照標定原理，需要將兩個位置傳感器固定在成V形，夾角為120度的兩個平面上。構(gòu)成一個閉環(huán)控制，保證從第一個PSD入射的激光束正好在位置傳感器的中心位置，反射出來的激光束正好能從第二個PSD的中心位置入射。這樣能夠采集到4個末端位置和每個位置下對應(yīng)的6個關(guān)節(jié)角度值，以便后面的標定工作順利進行。V形夾具結(jié)構(gòu)如下：圖3-7 V形夾具結(jié)構(gòu)第4章旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)電路設(shè)計PSD產(chǎn)生的四路微小電流信號先經(jīng)過放大電路放大，然后把放大后的信號按照PSD的坐標計算公式，經(jīng)過運算電路處理，得到Px和Py兩路電流信號。因為是兩路模擬信號，不能直接同時交給一個AD轉(zhuǎn)換器，這時就可以借助兩個采樣保持器（LF398），對于同時產(chǎn)生的兩路模擬信號，采樣保持器工作時能夠在一個時刻同時接收到兩路模擬信號，把同時接收到的兩路模擬信號暫時地鎖存起來，使用采樣保持器進行信號采集常常需要和模擬多路轉(zhuǎn)換器配合才能工作，接收到兩路模擬信號后，采樣保持器和模擬多路轉(zhuǎn)換器連接，再和AD轉(zhuǎn)換器連接，把兩路模擬信號同時傳送給AD轉(zhuǎn)換器，也就能夠保證計算機同時接收到這兩個信號。這樣就解決了AD轉(zhuǎn)換器本身無法同時接收兩路模擬信號的難題。經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后，模擬量轉(zhuǎn)化成了數(shù)字量，交給單片機內(nèi)進行計算處理，然后再借助MAX232芯片實現(xiàn)單片機和工業(yè)計算機之間的通信。這樣處理好的數(shù)字信號就傳到了計算機，在計算機內(nèi)經(jīng)過預(yù)定的算法計算出相應(yīng)的控制量，使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人達到理想的位姿。4.1 PSD元件產(chǎn)生信號原理PSD位置傳感器產(chǎn)生信號的原理圖如下：圖4-1 PSD 元件產(chǎn)生信號原理圖PSD位置傳感器產(chǎn)生四路電流信號IA、IB、IC、ID。位置傳感器工作時，它的四個電極會產(chǎn)生0-100A的微小電流，由于它產(chǎn)生的電流值實在太小，所以必須進行放大處理后才能繼續(xù)工作，另外，想要進行模擬運算處理，必須把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號才行。4.2 放大電路設(shè)計經(jīng)過放大電路，四個微小電流被放大并轉(zhuǎn)化成四路電壓信號A、B、C、D。枕形PSD四個輸出端的電流放大電路如下圖所示：圖4-2 放大電路4.3 模擬運算電路設(shè)計經(jīng)過放大處理后的電流信號就可以進行運算處理了。假設(shè)放大后輸出的四路電流信號分別為A、B、C、D，根據(jù)PSD的原理可以知道坐標值Px和Py分別可以表示成如下表達式：(4-1)據(jù)此，可以設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)加減功能的運算電路如下：圖4-3 加、減法運算電路根據(jù)如上電路能夠?qū)崿F(xiàn)(A+D)-(B+C)、(A+B)-(C+D)以及A+B+C+D的功能12，也就是得到了坐標計算公式中的分子和分母。然后再設(shè)計一個除法電路便可以得到運算結(jié)果Px和Py了，對于除法電路的設(shè)計，可以采用AD534TD作為除法器，電路如下圖所示：圖4-4 除法電路4.4信號處理模塊設(shè)計經(jīng)過放大電路處理后得到了放大了的電壓信號Px和Py，他們需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能在計算機內(nèi)進行處理，實現(xiàn)相應(yīng)的功能，由于一般的AD轉(zhuǎn)換器都無法實現(xiàn)通知接收兩路模擬信號并進行轉(zhuǎn)換，所以電壓信號Px和Py就需要通過采樣保持器和模擬多路轉(zhuǎn)換器的處理，再交給AD轉(zhuǎn)換器進行AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，以便在計算機內(nèi)進行處理。4.4.1 采樣保持器選型得到Px和Py之后，因為是兩路模擬信號，不能直接同時交給一個AD轉(zhuǎn)換器，所以需要用兩個采樣保持器（LF398），來暫時保存模擬量的瞬時值。兩個保持器后面接模擬多路轉(zhuǎn)換器，模擬多路轉(zhuǎn)換器后面接一個AD轉(zhuǎn)換器。工作過程大概是：首先賦予兩個采樣保持器一個保持信號，然后可以對模擬信號進行采樣，再然后選擇多路開關(guān)通道，最后啟動AD轉(zhuǎn)換器。使用多路開關(guān)的兩個通道來得到兩路模擬量的值。通過這種電路連接方法，計算機就能夠在同一時刻收到兩種輸入信號。LF398具有采樣和保持功能，它是一種模擬信號存儲器，在邏輯指令控制下，對輸入的模擬量進行采樣和寄存。下圖是該器件的引腳圖。每個引腳的具體解釋如下：1是電源端VCC；2是調(diào)零端，邏輯輸入為1且輸入電壓信號為零時，可以對引腳2進行調(diào)節(jié)，將輸出電壓置為零；3是模擬信號輸入引腳；4是電源端VEE；5是信號輸出引腳；6引腳用以接采樣保持電容；7引腳用來接地，作為邏輯基準；8引腳控制邏輯輸入，低電平時保持狀態(tài)不變，高電平時進行信號采樣。圖4-5 采樣保持器LF398引腳圖4.4.2 模擬多路轉(zhuǎn)換器選型MPC801是一種模擬多路轉(zhuǎn)換器，額定工作電壓為15V;存取時間80ns；穩(wěn)定至0.1%的時間是250ns； 8路單端或4路差動；可與TTL或CMOS電平兼容；CMRR大于75dB；轉(zhuǎn)換電壓范圍一般為1.0到10V。其引腳圖如下所示：圖4-6 模擬多路轉(zhuǎn)換器MPC801引腳圖采樣保持器LF398和模擬多路轉(zhuǎn)換器MPC801按照如下圖方法連接：圖4-7 LF398和MPC801連接圖4.4.3 AD轉(zhuǎn)換器選型AD轉(zhuǎn)換就是將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，對于一般的單片機來說，它本身不具有AD轉(zhuǎn)換的功能，這時就需要外接一個AD芯片接收模擬量并轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。根據(jù)本電路的要求，決定使用16位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片AD976A，它有很高的集成度，功耗為100mW，采用單電源供電，供電電壓為+5V，轉(zhuǎn)換速度非?？欤軌蜻_到2000kSPS，自身帶有高速并行IO接口和時鐘。AD979A一共有28個引腳，采用雙列直插式封裝，它的每個引腳的具體解釋如下：第1個引腳VIN是模擬輸入端，模擬信號經(jīng)過一個200的電阻從該引腳輸入，滿量程輸入范圍為10V；第2個引腳AGND1是REF的參考地，具有模擬地的功能；第3個引腳REF是基準輸入/輸出端；第4個引腳CAP是基準緩沖器輸出端；第5個引腳AGND2是模擬地端，它和第4個引腳CAP之間通過2. 2F的鉭電容連接；第6到13個引腳以及第15到22個引腳用來輸出數(shù)字信號；第14個引腳DGND是數(shù)字地端；第23個引腳BYTE是字節(jié)選擇端。低電平時，數(shù)據(jù)按上面所述方式輸出，高電平時，高低8位數(shù)據(jù)輪流輸出；其中15腳22腳輸出高八位數(shù)據(jù)，6腳13腳輸出低八位數(shù)據(jù)；第24個引腳是讀/轉(zhuǎn)換輸入端。連接低電平時有效，屬于邊沿觸發(fā)方式，的下降沿使芯片內(nèi)部的采樣/保持進入保持狀態(tài)并開始一次轉(zhuǎn)換；的上升沿允許輸出數(shù)據(jù)位；第25個引腳是片選輸入端，低電平有效，高電平封鎖。在上一個引腳的解釋中可以知道，它和配合工作；第26個引腳BUSY端的作用是：每進行一次AD轉(zhuǎn)換的過程中，BUSY一直是低電平狀態(tài)，數(shù)據(jù)鎖入輸出鎖存器。變成高電平時，BUSY也變成高電平，開始輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號；第27個引腳VANA是模擬電源端，連接+5V電壓；第28個引腳VDIG是數(shù)字電源端，同樣連接+5V電壓。本文中需要用到的AD976A引腳圖如下所示：圖4-8 AD976A引腳圖4.4.4 單片機選型單片機用來對AD轉(zhuǎn)換芯片輸出的數(shù)字信號進行處理。二進制8位單片機AT89C52比較常用，而且是在本科學(xué)習(xí)過的、比較熟悉的單片機型號，所以我使用它進行設(shè)計。CPU方面，一個8位的中央處理器作為它的核心，可使用MCS-51指令系統(tǒng)進行各種操作；存儲器方面，片內(nèi)有256個字節(jié)的RAM存儲單元，還有8K個字節(jié)的ROM存儲單元。AT89C52單片機工作時比較穩(wěn)定，裝卸靈活，適用于各種不同的工作系統(tǒng)。它的引腳如下圖所示：圖4-9 AT89C52引腳圖根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器AD976A和單片機AT89C52的各個引腳的功能，將AD轉(zhuǎn)換器和單片機進行連接，使他們之間可以傳送信號。AD976A和AT89C52的連接圖如下所示：圖4-10 AD976A和AT89C52連接圖4.5 通信模塊設(shè)計單片機和工業(yè)計算機通信需要借助MAX232，連接電路如下圖所示：圖4-11 AT89C52和工業(yè)計算機通信電路4.6 顯示電路設(shè)計顯示器選用LCD1602，用來顯示測量坐標值，LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠顯示16列2行這樣的字符。LCD1602的引腳圖如下：圖4-12 LCD1602引腳圖引腳功能說明如下表：D0到D7是8位雙向數(shù)據(jù)線；E是使能端；R/W是讀或?qū)懶盘栆_；RS是寄存器選擇引腳；VL是對比度調(diào)整引腳；VDD接+5V電源；VSS是接地電源端。LCD1602和單片機的連接方式如下圖所示：圖4-13 LCD1602和AT89C52連接圖4.7 電源模塊設(shè)計本文中的PSD以及信號處理板都采用直流電源供電，其中放大電路和模擬運算電路中運算放大器的工作電壓為12V；模擬運算電路中的除法器選用芯片AD534TD，使用+15V電壓供電；信號處理電路中采樣保持器選用LF398，采用15V電壓供電；信號處理電路中模擬多路轉(zhuǎn)換器選用MPC801，也是采用15V電壓供電；信號處理電路中的AD轉(zhuǎn)換器選用AD976A，使用+5V電壓供電；在通信模塊中，需要利用MAX232實現(xiàn)AT89C52單片機和工業(yè)計算機之間的通信，MAX232采用單電源+5V電壓供電。圖4-14 電源模塊將電源集成在電路板上實現(xiàn)自制電源供電，以上電源模塊能夠?qū)崿F(xiàn)5V、12V、15V電壓供電。4.8總電路圖根據(jù)以上各個模塊的電路設(shè)計，可以得到一個總電路原理圖如下，再根據(jù)此原理圖制作電路板，以便進行PSD信號處理并且和工業(yè)計算機通信。圖4-15 總電路圖第5章旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1 標定系統(tǒng)工作流程概述借助雙PSD的機器人標定系統(tǒng)整個的工作流程是先建立運動學(xué)模型；然后獲得機器人的四個末端位置及在這些位置下對應(yīng)的6各關(guān)節(jié)角度值，也就是機器人的實際位姿；再然后是進行零位偏差自標定；最后進行空間位姿自標定。這就是整個的工作流程。5.2 采集末端位置和姿態(tài)流程根據(jù)總流程可以知道，需要獲得機器人的末端位置以及實際位姿下的各個關(guān)節(jié)角度值，以便接下來的標定順利進行，首先通過閉環(huán)控制將激光器對準位置傳感器的中心，保證激光光線恰好從位置傳感器中心入射，并且能夠反射在另外一個位置傳感器中心，此時記錄該位置作為P1，并且采集各個關(guān)節(jié)角度值數(shù)據(jù)；在P1位置基礎(chǔ)上平移機器人末端執(zhí)行器，使激光從保持和剛才在同一直線上，不同的點發(fā)射出來，同樣記錄位置P2，采集關(guān)節(jié)角度值數(shù)據(jù)；在P2位置的基礎(chǔ)上，推動機器人運動，使末端執(zhí)行器帶動激光器偏轉(zhuǎn)一定角度，記錄這時候的末端位置為P3，并且采集關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)；使激光保持在同一條直線上，在不同的點位發(fā)射，記錄位置P4并采集關(guān)節(jié)角度值；在進行上述步驟時，一定要保持光線從位置傳感器中心入射，并反射在另一個位置傳感器中心。對于獲得機器人的末端位置和實際位姿，采用下圖中的步驟進行：圖5-1 采集末端位置和姿態(tài)5.3 零位偏差自標定流程獲得了四個末端的位置還有他們的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，再結(jié)合運動學(xué)模型，機器人進行零位偏差自標定的流程如下圖所示：圖5-2 零位偏差自標定流程5.4 空間位姿自標定流程進行零位偏差自標定后，就要開展空間位姿自標定工作，具體工作流程如下圖所示：圖5-3 空間位姿自標定流程根據(jù)以上的工作流程，可以使用MATLAB編寫標定系統(tǒng)工作時的C語言程序，詳情請見附錄。第6章工程定額概算6.1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)成本核算6.1.1 非標設(shè)備成本預(yù)算（1）制作器件自制部分制作器件包括機器人末端執(zhí)行器連接的法蘭盤、PSD夾具、PSD信號處理電路板（包括電源模塊、放大電路、模擬運算電路、信號處理模塊、顯示電路、通信電路）。對于機器人末端執(zhí)行器連接的法蘭盤和PSD位置傳感器V形夾具，可以先鑄造，然后再使用機床精加工。電路板的制作，需要根據(jù)原理圖，購買單片機、采樣處理器等芯片，制作電路板。（2）材料選用對于PSD位置傳感器V形夾具的箱體部分，選用AL6061為制作材料。這是一種經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品。雖然強度不是最好，因為它鎂、硅合金特性多，所以有良好的抗腐蝕性，較高的韌性，加工性能好，加工后不會發(fā)生形變。位置傳感器夾具箱體中的電源綁帶和隔板可以使用冷軋板制作。對于機器人末端執(zhí)行器連接的法蘭盤材料，可以選用45鋼，首先經(jīng)車床加工并進行淬火，淬火后交由磨床精磨。螺釘連接處墊片的材料也選擇45鋼。電路板主要使用的材料是覆銅板。非標準件成本核算見下表：表6-1 非標準件清單名稱材料價格法蘭盤45鋼9墊片45鋼1V形夾具箱體AL606130電源開關(guān)支座ABS工程塑料10電源綁帶冷軋板10隔板冷軋板10電路板覆銅板30總成本1006.1.2 外購件成本核算外購件主要就是PSD位置傳感器、激光器、螺釘以及電路板上的各種芯片。外購件清單如下表所示：表6-2 外購件清單器件型號生產(chǎn)公司數(shù)量報價位置傳感器PSD-1010西化儀22激光器120M35螺釘GB/T 13806.1固萬基11M510螺釘GB/T 70.1固萬基42M314螺釘GB/T 189.1固萬基262M28螺釘GB/T 189.1固萬基81.5M34螺釘GB/T 189.1固萬基41M23螺釘GB/T 189.1固萬基41轉(zhuǎn)換芯片MAX232瑞柏12顯示器LCD1602瑞柏16.5單片機AT89C52瑞柏110采樣保持器LF398鈞雅2360多路轉(zhuǎn)換芯片MPC801江左1240除法器AD534TD亞德諾3255AD芯片AD976A博奕泰180總成本9846.2 自制器件對環(huán)境影響以及可持續(xù)性法蘭盤的材料選擇鋼材，鑄造后經(jīng)過機床加工。鑄造廠能夠進行廢水回收處理，不必擔(dān)心污染環(huán)境的問題。位置傳感器PSD的V形夾具箱體部分由AL6061作為制作材料，其塑性良好，抗腐蝕能力強，可以對它回收再利用。結(jié)論與展望結(jié)論通過幾個月的努力，成功設(shè)計出一種基于雙PSD的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人絕對定位精度標定系統(tǒng)，成果如下：1、通過DH方法建立運動學(xué)模型，能夠很好地表達機器人各個軸關(guān)節(jié)之間的關(guān)系，為推導(dǎo)標定算法打下堅實基礎(chǔ)。通過實驗驗證，本文的標定算法可行，能夠?qū)崿F(xiàn)零位偏差自標定和空間位姿自標定。2、對于機械部分，工作過程中半導(dǎo)體激光器能夠通過所設(shè)計的法蘭盤穩(wěn)固連接在機器人末端執(zhí)行器上，PSD位置傳感器V形夾具箱體內(nèi)能夠放置PSD、電路板以及鋰電池，其具備散熱孔，可以保證工作效率。3、對于電路部分，PSD信號處理板能夠完美實現(xiàn)放大、模擬運算、信號處理等功能，并且和計算機通信傳遞數(shù)據(jù)。4、對于軟件部分，根據(jù)標定流程使用MATLAB設(shè)計程序，能夠?qū)崿F(xiàn)標定功能。展望隨著科技發(fā)展，自動化以及智能化的生產(chǎn)成為主流，機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的地位不可撼動，對于機器人標定技術(shù)的研究也日益增多。相信在未來我有機會可以接觸到更多的標定設(shè)備，我會對它們的優(yōu)缺點進行比較和總結(jié)。另外，本文中說明的標定技術(shù)應(yīng)用在實際生產(chǎn)中還要做更深一步的實驗，根據(jù)實際情況標定機器人基座和產(chǎn)品的相對位置。參考文獻1徐昌軍.基于MDH模型的工業(yè)機器人運動學(xué)標定技術(shù)的研究D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.2劉海濤.工業(yè)機器人的高速高精度控制方法研究D. 廣州:華南理工大學(xué),2012.3任永杰，邾繼貴，楊學(xué)友等.利用激光跟蹤儀對機器人進行標定的方法J.機械工程學(xué)報，2007(09)，195-200.4谷樂豐，楊桂林，方灶軍等.一種新型機器人自標定裝置及其算法J/OL.機器人，2019，1-10.5劉振宇，陳英林，曲道奎等.機器人標定技術(shù)研究J.機器人，2002，05，17-22.6丁學(xué)亮.Staubli工業(yè)機器人標定算法和實驗研究D.浙江:浙江理工大學(xué), 2014. 7陳霄燕，張秋菊，孫沂琳，陳海衛(wèi).工業(yè)機器人位姿誤差空間IDSW 插值補償方法研究J.機械科學(xué)與技術(shù)，2017，36(3):378-385.8郝建豹，查進艷，謝煉雅.基于DH算法的平面關(guān)節(jié)機器人的運動學(xué)建模與仿真J.機電工程技術(shù)，2018，4:99-102.9鄭軍, 李文慶. 基于雙PSD的三維測量系統(tǒng)的標定方法J. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2018, 58(4): 411-416.10李松洋，白瑞林，李灶等.基于PMPSD的工業(yè)機器人幾何參數(shù)標定方法J.計算機工程，2018，44(01):17-22.11楊愛民，張帥，張煥成.四元數(shù)法在4R機器人位置分析中的應(yīng)用J.微計算機信息，2012，9:462-463.12肖福磊，葛興國，陶忠祥.一種基于雙面型PSD的信號處理電路的設(shè)計J.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009，19(16):182-183.13周學(xué)才，張啟先.距離誤差模型在機器人精度研究中的應(yīng)用J.機器人，1995,(01):1-6.14李定坤.基于距離誤差模型的機器人絕對精度標定研究D.天津:天津大學(xué)，2007.15戴孝亮.工業(yè)機器人運動學(xué)標定及剛度辨識的研究D.廣州:華南理工大學(xué)，2013.16Meggiolaro M A，Scriffignano G，Dubowsky SManipulator calibrationusing a single endpoint contact constraintJ.Proc of ASME DesignEngineering Technical Conference，2000:1-917Nicholas A.Nadeau，Ilian A.Bonev，Ahmed Joubair.Impedance Control Self-Calibration of a Collaborative Robot Using Kinematic CouplingM.Department of Automated Manufacturing Engineering，Ecole de Technologie Superieure，Montreal，2019.18Lim H， Kim D， Kim S， et al. A practical approach to enhance positioning accuracy for industrial robotsJ. ICROS-SICE International Joint Conference，2009: 2268-2273. 19Albert Nubiola，Mohamed Slamani，Ahmed Joubair et al.Comparison of two calibration methods for a small industrial robot based on an optical CMM and a laser trackerJ.Robotica，2013，32(3).20William K, Veitschegger, Chi_Haur W. Robot Calibration and CompensationJ.IEEE Journal of Robotics and Automation, 1988,4(6): 643-656.21Khalil W, Gautier M, Enguehard C. Identifiable Parameters and OptimumConfigurations for Robots CalibrationJ. Robotica, 1991,9: 63-70.22Hanqi Z, Luke W, Roth ZS. Simultaneous Calibration of a Robot and a Hand-mounted CameraJ. IEEE transactions on robotics and automation, 2005,11(5):649-660.23Hoang M. A Framework for Flexible Intergration in Robotics and its Applicat-ions for Calibration and Error CompensationD. Cran Field University Ph DThesis, 2012.24Blank,S.,Shen,Y.,et al.High precision PSD guided robot localization: Design, mapping, and position control,Intelligent Robots and SystemsC.IROS 2007, IEEE/RSJ International Conference.52-57. 25Renders J.M, E Rossignal, M.Becquet, R.Hanus. Kinematic calibration and geometrical parameter identification for robots J.IEEE transactions on robotics and automation,1991,7:721-731.26Y.,Gen,L. P., Zhi, F. L., et al. An overview of robot calibrationJ.Information Technology Journal, 2004,3(1):74-78. 27A. Klimchik, E. Magid, A. Pashkevich. Design of experiments for elastostatic calibration of heavy industrial robots with kinematic parallelogram and gravity compensatorJ. IFAC Papers On Line,2016,49(12):6-11.28Marko vaco，Bojan ekoranja, Filip uligoj，et al. Calibration of an Industrial Robot Using a Stereo Vision SystemJ. Procedia Engineering,2014，69: 597-606.29Giovanni Legnani，Monica Tiboni. Optimal design and application of a low-cost wire-sensor system for the kinematic calibration of industrial manipulatorsJ. Mechanism and Machine Theory，2014，73:721-731.30Chen I-Ming, Yang Guilin，Tan Chee Tat，et al. Local POE model for robot kinematic calibrationJ.Mechanism and Machine Theory，2015，36(11-12): 1215-1239.31Yier Wu，Alexandr Klimchik，Stphane Caro，et al. Geometric calibration of industrial robots using enhanced partial pose measurements and design of experimentsJ. Robotics and Computer Integrated Manufacturing,2015，35:1-8.致謝經(jīng)過一個學(xué)期的努力，我成功完成了畢業(yè)設(shè)計。首先要感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師，蘇成志老師。蘇成志老師對于工作精益求精，平易近人，不僅指導(dǎo)我完成了畢業(yè)設(shè)計，更是讓我領(lǐng)悟到了不少人生的道理。感謝老師每次的細心指導(dǎo)，耐心指點我裝配圖，電路圖以及說明書中的錯誤，使我能夠更好地完成畢業(yè)設(shè)計圖以及畢業(yè)設(shè)計說明書；還要感謝老師的鼓勵，讓我堅持下去，更好地完成任務(wù)。其次，要感謝我的師兄，袁磊師兄。感謝袁磊師兄的耐心幫助，每次都能細心為我解答疑惑。還要感謝我的父母以及我的朋友們，在平日里對我的鼓勵與幫助。最后，非常感謝各位老師在百忙之中對我的論文進行評審。附錄標定系統(tǒng)C語言程序如下：clear clcclose all syms f2 f3 f4 f5 f6Q=0,39.8034,200.8071,0,-120.6106,0; 0,37.2384,202.3315,0,-119.5698,0; 0,136.9859,219.9641,180,176.95,180; 0,119.1923,227.607,180,166.7993,180;% Q= -25.6497,28.3237,116.4195,44.1860,86.3212,-54.4932;% -19.4670,28.1794,124.4004,49.9486,78.6330,-58.0601;% 24.2118,-1.2743,115.1523,3.3228,69.6897,12.6857;% 24.7815,2.6369,124.1718,3.7685,56.7531,12.3408;% f2=1;f3=1;f4=1;f5=1;f6=1;%f2=0;f3=0;f4=0;f5=0;f6=0;% Q=-15.4857,28.9035,53.7168,6.3550,72.6966,-102.0434;% 25.6590,41.3756,34.4796,-11.1917,81.486,-60.9120% 0,1.4625,154.1878,180.0000,23.7987,-180.0000;% Q= 0,1.4625,154.1878,180.0000,23.7987,-180.0000;% 0,2.0460,151.3873,180.0000,22.7604,-180.0000;% 0,2.1251,138.8218,360.0000,39.0531,0;% 0,0.5627,138.1856,360.0000,41.2517,0;%a=0,pi/2,0,pi/2,-pi/2,pi/2; % d=450,0,0,639.5,0,121.6; %450121.6aa=0,150,570,130,0,0; %t1=1 0 0 0; 0 1 0 0; 0 0 1 450; 0 0 0 1;t2=-1 0 0 0; 0 -1 0 0; 0 0 1 121.6; 0 0 0 1;% syms a1 a2 a3 a4 a5 a6% syms d1 d2 d3 d4 d5 d6% syms aa1 aa2 aa3 aa4 aa5 aa6% a=a1,a2,a3,a4,a5,a6;% d=d1 d2 d3 d4 d5 d6;% aa=aa1 aa2 aa3 aa4 aa5 aa6;F=f2 f3 f4 f5 f6;T=;for j=1:1:4 w=eye(4); q=Q(j,1),90-(Q(j,2)+F(1),90-(Q(j,3)+F(2),(Q(j,4)+F(3),-(Q(j,5)+F(4),(Q(j,6)+F(5).*pi/180; for i=1:1:6 T1=rotx(a(i),0;0;0;0,0,0,1*transl(aa(i),0,0)*rotz(q(i),0;0;0;0,0,0,1*transl(0,0,d(i); w=w*T1; end %T=T,t1*w*t2; T= T,w* roty(-pi/2),0;0;0;0,0,0,1 ; % T=T,w*rotz(k1*pi/180),0;0;0;0,0,0,1*roty(k2*pi/180),0;0;0;0,0,0,1*rotx(k3*pi/180),0;0;0;0,0,0,1*transl(k4,0,0)*transl(0,k5,0)*transl(0,0,k6);end ww1=T(1,5)-T(1,1);ww2=T(2,5)-T(2,1);ww3=T(1,1)/T(2,1)-(T(1,8)-T(1,4)/(T(2,8)-T(2,4);ww4=T(2,1)/T(3,1)-(T(2,8)-T(2,4)/(T(3,8)-T(3,4);ww5=T(1,13)-T(1,9);ww6=T(2,13)-T(2,9);ww7=T(1,9)/T(2,9)-(T(1,16)-T(1,12)/(T(2,16)-T(2,12);ww8=T(2,9)/T(3,9)-(T(2,16)-T(2,12)/(T(3,16)-T(3,12);ww=ww1,ww2,ww3,ww4,ww5,ww6,ww7,ww8; LMFsolve.mfunction xf, S, cnt = LMFsolve(varargin) if nargin=1 & strcmpi(default,varargin(1) xf.Display = 0; % xf.MaxIter = 100; % xf.ScaleD = ; % xf.FunTol = 1e-7; % xf.XTol = 1e-4; % X return % elseif isstruct(varargin1) % Options=LMFsolve(Options,Name,Value,.) varargin110 if isfield(varargin1,Display) % error(Options Structure not correct for LMFsolve.) end xf=varargin1; % xf for i=2:2:nargin-1 name=varargini; % if ischar(name) error(Parameter Names Must be Strings.) end name=lower(name(isletter(name); value=varargini+1; % if strncmp(name,d,1), xf.Display = va

溫馨提示:
1: 本站所有資源如無特殊說明，都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等，如果需要附件，請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙，網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽，若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間，僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理，對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯，并不能對任何下載內(nèi)容負責(zé)。
6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容，請與我們聯(lián)系，我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

人人文庫網(wǎng)所有資源均是用戶自行上傳分享，僅供網(wǎng)友學(xué)習(xí)交流，未經(jīng)上傳用戶書面授權(quán)，請勿作他用。