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基于UR机器人的多臂协同系统静刚度实验平台搭建

发布时间:2020-06-11

5.2.1 UR 机器人简介

本次实验采用优傲公司的协作机器人产品UR3 和UR5 机械臂,这两款机械臂同为六关节工业机器人,能有效处理载荷达3KG 和5KG 的重复性作业。UR机械臂结构轻,重复定位精度可达±0.1mm,在抛光、打磨、焊接等精度要求较高的工业领域都能达到很好的准确度,可以满足工业应用的精度需求。另外这两款机械臂在快速运行中能保持稳定,具有较高的关节刚度,适合作为本文的实验对象,因此本章基于两台UR 机器人搭建了多机械臂协同系统以验证本文的理论模型。


两款UR 机器人都是由6个关节和挤压铝管组成,所有关节均为转动关节。将机械臂的关节 1 到 6 分别命名为:机座,肩部,肘部,手腕 1,手腕 2 和手腕 3。其中机座可以用来确定机器人的安装位置,手腕 3 可以用来连接工具以满足需求。如图5-1 所示为两款UR 型机器人结构示意图,它们的机器人构型完全相同,仅在连杆尺寸上存在差异,因此可以运用同样的运动学模型对机械臂进行正运动学建模。

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根据UR 机器人结构尺寸和D-H 参数法坐标系建立原则,在机器人关节处建立连杆坐标系如图5-2 所示。

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基于图5-2 建立的机器人连杆坐标系,得到机器人臂杆参数与关节参数如表5-1 所示,通过D-H 参数法可以构建UR 机器人的运动学模型和雅可比矩阵。

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两款UR 机器人产品的连杆坐标系及D-H 参数表形式相同,仅各连杆参数的数值存在差异。其中,UR5 机械臂的连杆参数为:d1=0.0892m,a1=0.425m,a2=0.392,d4=0.1093,d5=0.09475,d6=0.0825。UR3 机械臂的连杆参数为:d1=0.1519m,a1=0.24635m,a2=0.21325,d4=0.11235,d5=0.08535,d6=0.0819。基于D-H 参数法的坐标系传递原则,建立UR 机械臂的正运动学模型。将各连杆参数带入到连杆传递矩阵中:

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5.2.2 基于光学定位跟踪仪的测量平台简介

本次采用NDI 公司的Polaris Spectra 光学定位跟踪系统对机械臂末端变形进行测量。该设备具备先进的三维实时测量系统和多功能应用选项,在数字医学、功效学、计算机辅助治疗、质量检测、人体运动量测量、航空航天等领域中得到了广泛应用。凭借其优越的测量性能,Polaris Spectra 系统进一步提升了光学测量系统的行业标准,该系统的灵活性和可靠性使其成为跨平台应用与大范围测量的理想之选。


Polaris Spectra 光学定位跟踪系统如图5-3 所示,具体的组成包括:PC 机,光学定位跟踪仪及其控制器,以及被动刚体和主动测量器两种测量工具。其中被动刚体可通过附着在运动物体上实现运动过程的定位跟踪,主动测量器可用测量触头接触被测表面进行测量。

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如图5-4 所示为光学定位跟踪测量系统的原理图。P 点为被动刚体上的被动marker 点,在两个非平行相机上可捕捉到P 点的像,即P1 与P2,通过图像处理获取P1 和P2 点相对于各自相机基坐标的平面坐标值,通过坐标变换得到两点相对于全局坐标系{O}的坐标值,同时可得到P1 和P2 点之间的距离D。由于T 与f 为已知信息,通过T/Z=D/(Z-f )获得P 点相对于全局坐标系的深度信息Z,P 点在全局坐标系{O}的XY 平面的坐标值也可通过P1 和P2 点的坐标值计算获得,即P 点的坐标值P(x,y,z)。

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5.3 机器人关节刚度辨识实验

机器人关节刚度是机器人刚度研究的关键参数,刚度辨识的结果直接影响机器人操作刚度的建模准确度,关系着机器人刚度的后续研究,因此对机器人关节刚度进行辨识是十分必要的。本节将齿轮、转轴等机械传动部件的变形集中在关节上,用关节刚度来模拟这些传动件刚度的综合作用,并在此基础上设计了一种关节刚度辨识实验,运用静变形间接测量的方法辨识出机器人各关节刚度参数。


5.3.1 关节刚度辨识实验原理

本文根据力-刚度-变形三者的关系,通过对机器人施加恒定载荷,同时测量机械臂在力作用下产生的变形,在多次改变载荷大小与测量位形后,利用大量实验数据拟合出变形规律,从而辨识出关节刚度值。如图5-5 所示为本次机械臂关节刚度辨识实验系统原理图。
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5.3.2 关节刚度辨识实验

1) 实验步骤

本文设计了基于UR 机械臂的机器人刚度辨识实验,具体实验步骤如下:

a. 光学定位跟踪仪的安装调试,固定UR 机械臂基座并在末端法兰处安装光学定位跟踪仪被动刚体;

b. 调整机械臂到合理位形,保持电机制动状态;

c. 利用光学定位跟踪仪测量被动刚体中心的初始位置;

d. 在机械臂末端施加重物载荷F,同时记录该状态下的机械臂末端位置;处理数据获取当前载荷下的空间变形量[dx dy dz];

e. 增加负重载荷,重复步骤c-e,记录当前姿态下不同负载的变形量情况;

f. 调整机械臂位形,保持电机处制动状态后重复c-f 过程,进行5-10 组实验,将数据导出整理;

g. 使用MATLAB 软件进行关节刚度参数拟合。

2) 选取测量位形为选取合理的机器人位形,实验中需要考虑以下几个因素:

a. 尽量避免奇异位形,防止操作刚度矩阵奇异的情况发生,根据文献[74,75],可以利用可操作度高的机器人姿态进行测量;

b. 光学定位跟踪测量仪的测量范围有限,测量姿态需要满足被动刚体上的反射球能够被双目相机捕捉到反射图像的条件;

c. 预测当前位形的刚度性能,避免载荷过大引起变形过大而无法满足机器人操作刚度的建立条件。结合UR 机械臂的可操作性分析与实验现场条件,对本次用于实验的两台UR 机械臂选择了如表5-2 所示的5 组位形进行实验。

结合UR 机械臂的可操作性分析与实验现场条件,对本次用于实验的两台UR 机械臂选择了如表5-2 所示的5 组位形进行实验。

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备注:本文出自上海大学机电工程与自动化学院 汪博文 硕士学位论文《多机械臂协同加工系统静刚度建模与优化研究》如有侵权,请联系我们删除。

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