一種連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)及方法，屬于結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]連桿機(jī)構(gòu)是一種多自由度設(shè)備，目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域都有涉及。連桿機(jī)構(gòu)通常采用空間開(kāi)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式存在誤差累積放大的缺點(diǎn)，各級(jí)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差會(huì)被逐級(jí)放大，從而造成連桿機(jī)構(gòu)的精度降低。
[0003]結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)是消除連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的有效方法，由于結(jié)構(gòu)的差異，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)方法無(wú)法直接應(yīng)用于連桿機(jī)構(gòu)上，而目前機(jī)器人領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)方法一般都要借助激光跟蹤儀、激光干涉儀等昂貴的精密測(cè)量?jī)x器，且結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)操作步驟繁瑣、結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)時(shí)間長(zhǎng)，因此應(yīng)用成本也很高。目前研究的基于距離的結(jié)構(gòu)參數(shù)方法所采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的加工精度會(huì)影響兩點(diǎn)間的距離精度，因此求解得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)精度較低，從而無(wú)法有效提高連桿機(jī)構(gòu)的精度。此外，目前的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置需要其它精密儀器的輔助測(cè)量，增加了結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)及方法，以用于解決現(xiàn)有采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的加工精度會(huì)影響兩點(diǎn)間的距離精度、需要其它精密儀器的輔助測(cè)量等問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置、連桿機(jī)構(gòu)15、計(jì)算機(jī)16、結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置電纜17、連桿機(jī)構(gòu)電纜18 ；
所述結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置電纜17與計(jì)算機(jī)16連接通訊，連桿機(jī)構(gòu)15通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)電纜18與計(jì)算機(jī)16連接通訊；通過(guò)計(jì)算機(jī)16采集連桿機(jī)構(gòu)15的轉(zhuǎn)角及光柵讀數(shù)頭9讀取的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的滑動(dòng)軌端點(diǎn)20至支撐軌端點(diǎn)21的長(zhǎng)度，并根據(jù)采集到的長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)所需要的長(zhǎng)度；所述結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)所需要的長(zhǎng)度為結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置固定在一點(diǎn)時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)15的末端執(zhí)行器隨結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的滑動(dòng)軌4在支撐軌3上移動(dòng)的距離。
[0006]所述結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置包括磁性表座1、連接桿2、支撐軌3、滑動(dòng)軌4、連接板5、連接板安裝螺栓6、萬(wàn)向節(jié)7、安裝腳架8、光柵讀數(shù)頭9、安裝腳架螺栓10、腳架11、光柵尺12、腳架螺栓13、讀數(shù)頭安裝螺栓14 ;
所述磁性表座1通過(guò)磁力安裝在固定平臺(tái)19上，磁性表座1與導(dǎo)向副的支撐軌3通過(guò)連接桿2連接在一起，導(dǎo)向副由支撐軌3、滑動(dòng)軌4組成，支撐軌3上貼有有光柵尺12，滑動(dòng)軌4上通過(guò)連接板安裝螺栓6安裝有連接板5，連接板5上通過(guò)腳架螺栓13安裝有腳架11，腳架11上通過(guò)安裝腳架螺栓10安裝有安裝腳架8，安裝腳架8上通過(guò)讀數(shù)頭安裝螺栓14安裝有光柵讀數(shù)頭9，由光柵讀數(shù)頭9將當(dāng)前結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置滑動(dòng)軌端點(diǎn)20至支撐軌端點(diǎn)21的長(zhǎng)度讀取出來(lái)，移動(dòng)滑動(dòng)軌4并將移動(dòng)后滑動(dòng)軌端點(diǎn)20至支撐軌端點(diǎn)21的長(zhǎng)度讀取出來(lái)，根據(jù)兩次讀數(shù)可計(jì)算出連桿機(jī)構(gòu)15的末端執(zhí)行器在空間兩點(diǎn)的距離，用于結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)計(jì)算，萬(wàn)向節(jié)7 —端通過(guò)螺紋連接在連接板5上，萬(wàn)向節(jié)7另一端通過(guò)螺紋7安裝在連桿機(jī)構(gòu)15末端執(zhí)行器上。
[0007]所述磁力表座1表面有螺紋孔，所述連接桿2兩端有螺紋，所述支撐軌3 —端有螺紋孔。
[0008]—種連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)方法，所述方法的具體步驟如下:
Stepl、利用萬(wàn)向節(jié)7將連桿機(jī)構(gòu)15與結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置連接；
Step2、移動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置使連桿機(jī)構(gòu)15移動(dòng)至初始位姿；
Step3、固定結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置于一點(diǎn)并記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的初始位置i=l ；
Step4、采集結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置位于位置i時(shí)光柵讀數(shù)頭9的讀數(shù)以及對(duì)應(yīng)的連桿機(jī)構(gòu)15的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，方法如下:
首先通過(guò)計(jì)算機(jī)16采集滑動(dòng)軌端點(diǎn)20至支撐軌端點(diǎn)21的長(zhǎng)度厶連桿機(jī)構(gòu)15的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，然后移動(dòng)滑動(dòng)軌4，同時(shí)變換連桿機(jī)構(gòu)15的位姿，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集滑動(dòng)軌端點(diǎn)20至支撐軌端點(diǎn)21的長(zhǎng)度和連桿機(jī)構(gòu)15的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，其中k, p為連桿機(jī)構(gòu)15末端執(zhí)行器隨滑動(dòng)軌4移動(dòng)的連續(xù)兩點(diǎn)；結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置位于位置i時(shí)，采集?個(gè)滑動(dòng)軌端點(diǎn)20至支撐軌端點(diǎn)21的長(zhǎng)度及這且連桿機(jī)構(gòu)15的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)；其中連桿機(jī)構(gòu)15各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式如下:按照關(guān)節(jié)從小到大的原則依次運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)一從0°變換到20°，下一次再?gòu)?0°變換到40°，以此類推，每次變換關(guān)節(jié)的角度增加20°，一直增加到340°，即完成此關(guān)節(jié)的位姿變換，其余關(guān)節(jié)也按照這種方法運(yùn)動(dòng)，使連桿機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)充分運(yùn)動(dòng)；
Step5、計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)所需要的長(zhǎng)度:兩次采集到的長(zhǎng)度之差為連桿機(jī)構(gòu)15末端執(zhí)行器隨結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的滑動(dòng)軌4在支撐軌3上移動(dòng)的距離，從而可得到連桿機(jī)構(gòu)15末端執(zhí)行器空間兩點(diǎn)的距離，該距離為結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)所需要的長(zhǎng)度即為'hP— hk'
Step6、判斷是否完成數(shù)據(jù)采集操作，若尚未完成則移動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置并且位置變量自增1 'i= i+1，并轉(zhuǎn)至步驟Step4;若已完成結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)數(shù)據(jù)采集操作則轉(zhuǎn)至步驟Step7 ；
Step7、完成結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)數(shù)據(jù)采集后，令n^i'
Step8、求解待辨識(shí)的連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)向量m:
由于固定結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置于固定平臺(tái)(19)位置i時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)(15)末端執(zhí)行器隨滑動(dòng)軌(4)由點(diǎn)々移動(dòng)到點(diǎn)的距離是角度向量Θ iik、Θ iip與待辨識(shí)的連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)向量m的函數(shù)，有:
θιΛ, Sh2,m) = \lh2— Λ,ιθ1,3, ^1,4.?) = ΙΛ,4_ Λ, 3F、θι, t,m) = \k - Λ, ? 1,(沒(méi) 2, t+1) ^2, t+2) -?) " I Λ, t+2 一 Λ, t+1
F、^ 2,2t 1) ^ 2, 2 t) -?) _ I Λ, 2 t — Λ,2? 1
θ n,nt l, υ = \??，?「Λ,β?1在上面的方程組中，只有待辨識(shí)的連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)向量m是不確定的，對(duì)其進(jìn)行求解，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)向量m的精確值；
Step9、將結(jié)構(gòu)參數(shù)向量m代入連桿機(jī)構(gòu)15的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)結(jié)果的有效性，完成連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)。
[0009]本發(fā)明的工作原理是:利用萬(wàn)向節(jié)7將連桿機(jī)構(gòu)15的末端執(zhí)行器與結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的連接板5連接，連桿機(jī)構(gòu)15的末端執(zhí)行器隨光柵讀數(shù)頭9 一起移動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)15的末端執(zhí)行器隨結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的滑動(dòng)軌4在支撐軌3上移動(dòng)的距離即為結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)所需要的長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度可根據(jù)光柵讀數(shù)頭9兩次讀數(shù)計(jì)算得出。根據(jù)計(jì)算出的長(zhǎng)度并利用采集到的連桿機(jī)構(gòu)15的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得到以連桿機(jī)構(gòu)15結(jié)構(gòu)參數(shù)為未知量的方程式，移動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置并變換關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角就可以得到一系列方程式，聯(lián)立所得到的方程式即可得到結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)方程組，求解結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)方程組即可得到連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
1、結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置可以固定在固定平臺(tái)多個(gè)位置，從而在采集數(shù)據(jù)時(shí)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間變大，連桿機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)更加充分，為結(jié)構(gòu)參數(shù)解算提供了魯棒性更強(qiáng)的數(shù)據(jù)支持。
[0011]2、連桿機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器隨光柵讀數(shù)頭一起移動(dòng)，結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)所需的長(zhǎng)度可以由光柵尺系統(tǒng)精確計(jì)算得到，計(jì)算出的長(zhǎng)度誤差很小，提高了結(jié)構(gòu)參數(shù)解算的可靠性和精度。
[0012]3、由于結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的有效長(zhǎng)度為兩次光柵讀數(shù)頭讀數(shù)之差，其它零件的加工精度對(duì)讀數(shù)的精度幾乎無(wú)影響，并且結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置不存在長(zhǎng)度校準(zhǔn)，從而適用范圍更廣、加工更容易。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明中結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明中結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的外形圖；
圖3是本發(fā)明中結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的俯視圖；
圖4是本發(fā)明中結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的左視圖；
圖5是本發(fā)明中結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的滑動(dòng)軌外形圖；
圖6是本發(fā)明中結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置的腳架外形圖；
圖7是本發(fā)明裝置固定于位置1，連桿機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器位于位置點(diǎn)1時(shí)，在結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中采集數(shù)據(jù)時(shí)的位姿圖；
圖8是本發(fā)明裝置固定于位置1，連桿機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器位于位置點(diǎn)2時(shí)，在結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中采集數(shù)據(jù)時(shí)的位姿圖；
圖9是本發(fā)明結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)方法的具體流程圖；
圖中:1_磁性表座、2-連接桿、3-支撐軌、4-滑動(dòng)軌、5-連接板、6-連接板安裝螺栓、7_萬(wàn)向節(jié)、8-安裝腳架、9-光柵讀數(shù)頭、10-安裝腳架螺栓、11-腳架、12-光柵尺、13-腳架螺栓、14-讀數(shù)頭安裝螺栓、15-連桿機(jī)構(gòu)、16-計(jì)算機(jī)、17-結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置電纜、18-連桿機(jī)構(gòu)電纜、19-固定平臺(tái)、20-滑動(dòng)軌端點(diǎn)、21-支撐軌端點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1:如圖1-9所示，一種連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置、連桿機(jī)構(gòu)15、計(jì)算機(jī)16、結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置電纜17、連桿機(jī)構(gòu)電纜18 ;
所述結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)裝置電纜17與計(jì)算機(jī)16連接通訊，連桿機(jī)構(gòu)15通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)電纜1