一種關(guān)節(jié)對(duì)中誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的定量分析方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種關(guān)節(jié)對(duì)中誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的定量評(píng)價(jià)方法，其步驟為：(1)對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)位姿變換進(jìn)行建模，利用D-H表示法建立各個(gè)連桿位姿變換矩陣；(2)對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)對(duì)中誤差進(jìn)行建模；(3)導(dǎo)入對(duì)中誤差模型，確定各關(guān)節(jié)初始位置態(tài)，確定各關(guān)節(jié)初始位置；(4)采用Monte?Carlo法分析關(guān)節(jié)誤差對(duì)于末端運(yùn)動(dòng)位置影響的模擬仿真；(5)根據(jù)步驟(4)繪制末端執(zhí)行器位置分布圖，統(tǒng)計(jì)分布特征，做出影響評(píng)價(jià)。本發(fā)明具有原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種關(guān)節(jié)對(duì)中誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的定量分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到多自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特指一種適用于多自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)的由關(guān)節(jié)對(duì)中誤差引起的機(jī)械臂末端定位精度分析方法。

【背景技術(shù)】
[0002]如圖1所示，在進(jìn)行多自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過(guò)程中，眾多因素將會(huì)對(duì)串聯(lián)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)精度產(chǎn)生影響，如:系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，系統(tǒng)誤差一般包括剛性誤差、幾何誤差、定位偏差及反向誤差等，隨機(jī)誤差包括定位散布度、負(fù)荷及振動(dòng)等。在這些因素中剛性誤差、幾何誤差、定位偏差與反向誤差作為系統(tǒng)誤差可以通過(guò)反復(fù)測(cè)量修正傳遞模型參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。由負(fù)荷與振動(dòng)引起的誤差可由控制依據(jù)具體情況進(jìn)行補(bǔ)償。定位散布度就體現(xiàn)出作為機(jī)械臂關(guān)節(jié)的對(duì)中誤差，其具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，分布情況統(tǒng)計(jì)困難，難以補(bǔ)償修正。
[0003]目前，對(duì)于“對(duì)中誤差”大部分的研究均集中于對(duì)單關(guān)節(jié)對(duì)中誤差的測(cè)量與修正上，很少討論對(duì)中誤差對(duì)于末端定位精度的影響，以及多關(guān)節(jié)的誤差傳遞問(wèn)題，同時(shí)也缺乏對(duì)于由于對(duì)中誤差之類(lèi)的隨機(jī)誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的分析評(píng)價(jià)方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、精度高的關(guān)節(jié)對(duì)中誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的定量評(píng)價(jià)方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種關(guān)節(jié)對(duì)中誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的定量評(píng)價(jià)方法，其步驟為:
[0007](I)對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)位姿變換進(jìn)行建模，利用D-H表示法建立各個(gè)連桿位姿變換矩陣；
[0008](2)對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)對(duì)中誤差進(jìn)行建模；
[0009](3)導(dǎo)入對(duì)中誤差模型，確定各關(guān)節(jié)初始位置態(tài)，確定各關(guān)節(jié)初始位置；
[0010](4)采用Monte Carlo法分析關(guān)節(jié)誤差對(duì)于末端運(yùn)動(dòng)位置影響的模擬仿真，即在對(duì)中誤差范圍內(nèi)對(duì)各個(gè)誤差關(guān)節(jié)變量產(chǎn)生服從誤差分布規(guī)律的隨機(jī)數(shù)，得到各個(gè)關(guān)節(jié)樣本數(shù)據(jù)；根據(jù)產(chǎn)生的各關(guān)節(jié)的誤差變換矩陣計(jì)算出末端執(zhí)行器實(shí)際位置，存儲(chǔ)當(dāng)前實(shí)際位置占.
[0011](5)根據(jù)步驟(4)繪制末端執(zhí)行器位置分布圖，統(tǒng)計(jì)分布特征，做出影響評(píng)價(jià)。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):在步驟(I)中，利用D-H表示法建立各個(gè)連桿位姿變換矩陣如下，其中*7表示連桿坐標(biāo)系In}相對(duì)于連桿坐標(biāo)系{m}的描述:

【權(quán)利要求】
1.一種關(guān)節(jié)對(duì)中誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的定量評(píng)價(jià)方法，其特征在于，步驟為: (1)對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)位姿變換進(jìn)行建模，利用D-H表示法建立各個(gè)連桿位姿變換矩陣； (2)對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)對(duì)中誤差進(jìn)行建模； (3)導(dǎo)入對(duì)中誤差模型，確定各關(guān)節(jié)初始位置態(tài)，確定各關(guān)節(jié)初始位置； (4)采用MonteCarlo法分析關(guān)節(jié)誤差對(duì)于末端運(yùn)動(dòng)位置影響的模擬仿真，即在對(duì)中誤差范圍內(nèi)對(duì)各個(gè)誤差關(guān)節(jié)變量產(chǎn)生服從誤差分布規(guī)律的隨機(jī)數(shù)，得到各個(gè)關(guān)節(jié)樣本數(shù)據(jù)；根據(jù)產(chǎn)生的各關(guān)節(jié)的誤差變換矩陣計(jì)算出末端執(zhí)行器實(shí)際位置，存儲(chǔ)當(dāng)前實(shí)際位置占.(5)根據(jù)步驟(4)繪制末端執(zhí)行器位置分布圖，統(tǒng)計(jì)分布特征，做出影響評(píng)價(jià)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的關(guān)節(jié)對(duì)中誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的定量評(píng)價(jià)方法，其特征在于，在步驟(1)中，當(dāng)為六自由度機(jī)械臂時(shí)，利用D-H表示法建立各個(gè)連桿位姿變換矩陣如下，其中表示連桿坐標(biāo)系In}相對(duì)于連桿坐標(biāo)系{m}的位姿變換描述:
機(jī)械臂的末端相對(duì)于原點(diǎn)的位姿變換矩陣'T為:，=miTm 其為關(guān)于6個(gè)關(guān)節(jié)變量的函數(shù)，可以得到機(jī)械臂位姿變換矩陣為:
其中，P表示末端執(zhí)行器的位置，η、O、a表示末端執(zhí)行器的姿態(tài)噸為第1-ι關(guān)節(jié)與第i關(guān)節(jié)間兩法線(xiàn)連桿距離，a,為第1-Ι關(guān)節(jié)與第i關(guān)節(jié)間連桿長(zhǎng)度，a i為第1-Ι連桿與第i連桿間扭角，Θ i為第1-Ι連桿與第i連桿間夾角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的關(guān)節(jié)對(duì)中誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的定量評(píng)價(jià)方法，其特征在于，在所述步驟(2)的對(duì)中誤差模型中，第i關(guān)節(jié)的實(shí)際坐標(biāo)系位姿的變化矩陣Ei為:
ω為實(shí)際坐標(biāo)系繞理論坐標(biāo)系σ"的軸Xp1的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；Θ為實(shí)際坐標(biāo)系繞理論坐標(biāo)系的yg軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；xh.為P2點(diǎn)的X坐標(biāo)值，-rI':為P2點(diǎn)的y坐標(biāo)值；此時(shí)，末端執(zhí)行器的位姿由上述累計(jì)誤差產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)六個(gè)關(guān)節(jié)后的實(shí)際位姿為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的關(guān)節(jié)對(duì)中誤差對(duì)多自由度機(jī)械臂末端定位精度影響的定量評(píng)價(jià)方法，其特征在于，在所述步驟(4)中采用Monte Carlo分析關(guān)節(jié)誤差對(duì)于末端運(yùn)動(dòng)位置影響的模擬仿真步驟如下: (3.1)依據(jù)機(jī)械臂末端位置，反解得到各關(guān)節(jié)角度參數(shù)，計(jì)算出理想姿態(tài)矩陣Qci，理想末端位置向量Ptl; (3.2)在對(duì)中誤差范圍內(nèi)對(duì)各個(gè)誤差關(guān)節(jié)變量產(chǎn)生服從誤差分布規(guī)律的隨機(jī)數(shù)，得到各個(gè)關(guān)節(jié)樣本數(shù)據(jù)—馮，％}，i = 1，2，3，4，5，6 ;i為關(guān)節(jié)編號(hào)，m代表進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)次數(shù)；Rn為第i關(guān)節(jié)I端面軸線(xiàn)偏離中心點(diǎn)距離，R2i為第i關(guān)節(jié)2端面軸線(xiàn)偏離中心點(diǎn)距離，Λ為第i關(guān)節(jié)I端面中圓柱坐標(biāo)表示法的轉(zhuǎn)角，9!趟i關(guān)節(jié)2端面中圓柱坐標(biāo)表示法的轉(zhuǎn)角； (3.3)根據(jù)誤差變換矩陣求解，得到第i關(guān)節(jié)第m次實(shí)驗(yàn)的誤差變換矩陣Eim ； (3.4)將誤差變換矩陣Eim代入到正解模型，得到末端執(zhí)行器第m次實(shí)驗(yàn)的實(shí)際姿態(tài)矩陣Ωπ與第m次實(shí)驗(yàn)的末端位置點(diǎn)Pm ； (3.5)將位置向量Pm與理想位置向量Ptl取差，得到以理想點(diǎn)為原點(diǎn)的機(jī)械臂末端誤差向量Λ Pm ； (3.6)執(zhí)行步驟(3.2)至(3.5)即為完成一次試驗(yàn)，重復(fù)(3.2)至(3.5)m次，得到機(jī)械臂末端誤差向量集{ Λ PJ ； (3.7)繪制機(jī)械臂末端誤差向量圖及機(jī)械臂末端誤差概率密度分布圖，統(tǒng)計(jì)誤差分布特征。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104199999SQ201410341106
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】唐力, 梁科山, 尚建忠, 葛哲學(xué), 江志新, 閆超, 劉煒波, 肖時(shí)準(zhǔn) 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)