空间微操作机器人可代替人类在空间站进行生物工程实验、精密机械和微电子维修等精密操作,这些操作都要求机器人具有非常高的精度。制造误差、装配误差等因素造成机器人末端执行器的位姿存在误差,机器人可以具有很高的重复定位精度,但绝对定位精度一般都比较低。宏微结合的微操作机器人既具有充足的工作空间,又具有高的定位精度,一般要求宏动平台的误差空间要小于微动平台的工作空间。为了提高自主研制的空间微操作机器人中的绝对定位精度,对其中的宏动机械臂进行误差分析和补偿,是最有效的方法之一。本文主要对微操作机器人的宏动机械臂进行误差分析和补偿,研究宏动机械臂的误差分布和变化规律,来指导机械臂的制造、装配、标定等。采用运动学标定方法辨识机械臂的实际运动学参数,来提高机械臂的绝对定位精度,并提出一种改进的指数积(Product of exponential,POE)标定方法。本论文的主要研究内容包括:(1)微操作机器人运动学。介绍自主研发的空间微操机器人,分别采用DH方法和POE方法求解宏动机械臂的正向运动学和逆运动学,分析两种方法对应参数间的转换关系。(2)微操作机器人误差分析。分析微操作机器人的误差源,建立误差模型求解空间累积误差,运用拟蒙特卡洛方法进行误差分析,得到工作平面中的误差分布,以及各关节误差对机械臂末端位姿的敏感性和影响规律。(3)微操作机器人运动学标定方法。采用POE方法建立改进的机器人误差模型,分别给出基于位姿测量的标定方法和基于位置测量的标定方法,利用MATLAB对宏动机械臂以及不同类型的机械臂进行标定仿真实验,并与经典方法的标定结果进行对比。(4)微操作机器人运动学标定实验。分析激光跟踪仪的工作原理,利用激光跟踪仪确定基坐标系,采用机械臂末端固定的三个点求解工具坐标系在基座标系中的位姿,将测量的数据导入标定程序中,辨识得到精确的DH参数和POE参数,验证表明标定后机械臂的精度显著提高。
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