便携式机器人精度测量系统设计毕业设计论文

毕业设计说明书题目：便携式机器人精度测量系统设计

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：

指导教师签名：日期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

毕业设计（论文）中文摘要

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

1 毕业设计（论文）外文摘要

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

2

目录

1 引言 (1)

1.1 课题研究背景 (1)

1.2 便携式机器人精度测量系统的国外研究现状 (2)

1.3 便携式机器人精度测量系统的国内研究现状 (2)

1.4 课题研究的意义 (3)

1.5 课题研究的内容与参数要求 (4)

2 总体方案确定 (4)

2.1 距离测量装置方案的确定 (5)

2.2 末端适配器方案的确定 (5)

3 便携式机器人精度测量系统的详细结构设计 (6)

3.1 便携式机器人精度测量系统的结构组成 (6)

3.2 便携式机器人精度测量系统的工作原理 (7)

3.3 低惯量密绕装置的设计 (9)

3.4 弹簧张紧装置的设计 (15)

3.5 万向轮的设计 (16)

3.6 末端适配器的设计 (19)

3.7 装置外壳的设计 (20)

3.8 主要零部件的校核 (24)

4 三维装配模型渲染图片与仿真动画 (25)

4.1 三维装配模型渲染图片 (25)

4.2 三维装配模型的仿真动画 (26)

5 数据采集系统的设计及数据采集接口软件的开发 (28)

5.1 数据采集系统的设计 (28)

5.2 数据采集接口软件的开发 (29)

结论 (34)

参考文献 (35)

致谢 (37)

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

1 引言

在21世纪科学与技术高速发展的今天，机器人技术已逐渐成为继电气时代、互联网时代之后的又一具有革命性意义的技术。工业界正在掀起一股强劲的“机器人革命”之风。随着机器人在各行业的的大规模使用，工业上对机器人加工精度要求越来越高，机器人离线编程技术随之产生。机器人离线编程是利用计算机图形学的成果,建立机器人运动模型,通过对图形的控制和操作,在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划,进而产生机器人程序。离线编程系统中的仿真模型(理想模型)和实际机器人模型存在有误差,产生误差的因素主要有机器人本体、工作环境以及离线编程系统等因素。因此，如何减小机器人的误差，成为一项很关键的技术。

随着工业的发展和工业机器人的大规模应用,对机器人的位姿精度的要求也越来越高。目前,大多数工业机器人的重复定位精度在0.1毫米的数量级,但实际上其绝对精度在厘米数量级。这样的绝对精度难以满足现代工业生产的要求。因此,提高工业机器人绝对精度是目前机器人技术领域内急需解决的问题。通过对工业机器人运动模型进行误差标定补偿可以达到提高其绝对精度的目的。

目前，国内外很多研究机构的学者都在进行机器人标定技术和机器人精度测量方面的相关研究。

1．1 课题研究背景

随着工业机器人使用程度的日益提高,尤其是在工业当中要进行重复位姿移动的机器人来说，机器人的精度很大程度上决定了产品的质量和性能。由于大多数的工业机器人由于采用串联结构和关节驱动形式，因此该类机器人的定位精度通常较差，而且长时间工作或发生碰撞后，机器人的几何参数(工具坐标系、工件坐标系、机器人零点等)会发生改变，需要重新校准，目前，机器人的校准通常需要人工进行非常复杂的手动操作，其标定精度不高且依赖于操作人员的技术水平，不仅耗时且可靠性较低。此外，一些高精度的测量仪器（如激光跟踪仪、三座标机等），不仅价格昂贵不适用于中小型企业，更重要的是其体较大，不便携带，无法进行随时随地现场标定测

- 1 -

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

量。[1]因此，急需开发一种低成本、便携式的机器人标定测量装置用以满足工业上的需求。

1．2 便携式机器人精度测量系统的国外研究现状

在机器人标定的过程中，测量手段是一个极其重要的因素。国外从80 年代就开始了在这方面的研究工作，形成了多种测量方法：

(1)运动学模型标定法

按照机器人标定过程,选择合适的运动学模型和标定测量方法是机器人标定的前提,在此基础上对标定数据进行处理实现误差参数识别与校正是机器人标定的目的。运动学标定步骤大致分为四个步骤：建模—测量—参数辨识—补偿。

(2)机器人自标定法

所谓自标定就是只借助于机器人内部传感器来对其运动学模型进行标定的过程。由于自标定几乎都是针对运动学参数的,故把自标定也列为运动学标定方法之一。（3）基于神经网络的正标定及逆标定

①神经网络正标定

为了克服参数法的缺点,许多学者提出了基于神经元网络的位姿误差正标定法。该方法以关节角和其对应误差分别作为输入输出来训练神经网络,通过对关节角进行补偿来提高机器人的位姿精度,在很多工业场合得到了成功的应用。

神经网络逆标定法

所谓逆标定法,就是通过一定的算法找出机器人关节角的误差值,以修正后的关节角来驱动机器人,使机器人末端执行器位姿误差最小。该方法以关节角值和其对应误差分别作为神经网络的输入和输出来训练网络,得到在任意关节角时的误差值,通过修正关节角来实现位姿误差的实时补偿。[2]

1．3 便携式机器人精度测量系统的国内研究现状

国内对机器人标定的研究起步较晚,标定手段较少,研究对象也主要集中于工业机器人,开展这方面研究的单位也很少,主要是哈尔滨工业大学焊接技术国家重点实验室和机器人研究所,他们的研究主要集中于对焊接机器人的标定。此外,清华大学也在进行类似的研究。

崔醒阳教授等以vol弧焊机器人为研究对象,介绍了机器人结构分析方法,利用机器人示教程序和三点定圆的方法,标定了该机器人的结构参数,建立了各关节的关

- 2 -

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

节坐标系和变换矩阵;蔡鹤皋等利用修正的DH模型推导了RMA一I型机器人的实际几何参数识别公式,该公式适用于任何串连机器人的几何参数识别,标定后机器人的精度提高了一个数量级。[3]

然而，可以肯定的是，国外的机器人标定技术无论在标定方法、标定设备、标定对象及补偿方法等方面都比国内研究深入很多。我国对机械设备如各类数控机床的误差标定进行的比较好,但专门针对机器人的标定才刚刚开始,研究对象和研究方法都比较单一,还没有形成系统化的、实用的标定方法,随着各种工业机器人在我国各行业的使用越来越广泛,我们需要大力加强这方面的研究工作。

1．4 课题研究的意义

在过去的十年当中，对具有高精度和高重复执行性的工业机器人的需求越来越大，尤其是在航空航天方面。如今，大多数的工业机器人制造商和一些服务商（如美国的Dynalog公司和Nikon Metrology公司）使用3D甚至6D的测量装置来对机器人进行位置标定。再有，大多数工业制造商把ISO9283纳入标准当中，这个标准和十年之前的标准有所差异。然而，机器人位置标定技术让仍然是单一的测量方式，更具体的来说，大多数厂商是依据ISO9283的标准来进行位置标定的，然而这种位置标定的方法本身就有很大的局限性，所采集的信息无法保证标定的机器人的绝对精度。

目前在市场上，用于机器人静态精度标定的测量系统包括双经纬仪位姿测量系统、三坐标机及关节型多杆随动测量系统。用于机器人动态精度标定的系统主要有激光跟踪系统、CCD 交互测量系统、超声波测量系统、位置测量系统和带有接近传感器的测量系统。这些测量设备成本高、测试方法繁琐，而且用于机器人标定需开发专用的软件模块，因此该类设备不适于现场快速测量与校准。

美国Dynalog公司于上世纪90年代开发出CompuGauge机器人性能测试系统，主要通过角度编码器计量4条拉绳的长度，从而实时计算出机器人的末端位姿，测量精度较高，且操作简便，能够在几分钟之内完成自动测量和标定过程，该产品一经问世就受到世界范围内机器人制造商的关注。近年来，Dynalog公司基于相同原理开发出了操作方式更简单，更便于携带、可现场完成机器人精度测量和标定的产品DynaCal 和DynaCal-Lite，如今国内外主要机器人制造厂商纷纷购买该产品，用于机器人产品的出厂检测和标定。然而由于其价格昂贵(约60万)，难以满足终端用户的机器人快速校准需求。

- 3 -

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

本课题结合机器人用户对快速测量和标定装置的需求，拟设计一种低成本便携式机器人精度测量系统，包括机器人末端适配装置设计、拉绳式恒张力张紧系统设计以及数据采集系统的软硬件设计，为机器人精度测量与标定系统的开发奠定基础。1．5 课题研究内容与参数要求

本课题结合工业机器人用户对快速测量和标定装置的需求，主要研究的内容如下：

1. 掌握拉绳式测量装置的工作原理，基于Solidworks三维软件完成测量装置的概念设计。

2. 借助CAD软件完成测量装置的主要结构件设计，包括机器人末端万向适配器、弹簧张紧系统、低惯量密绕装置、万向轮等主要部件的设计和标准件选型。

3. 完成所有零件图和总装图绘制，并在三维软件中建立虚拟样机模型。

4. 根据测量精度要求进行角度编码器及数采装置的选型，开发数据采集接口软件，实现编码器数据的实时读取和记录。

测量系统技术指标按如下参数设计：

1.测量系统精度：0.01mm

2.有效测量长度：3m

3.采样率：1kHz

4.质量：小于3kg

具体要求如下：

1. 完成测量装置虚拟样机设计，提交渲染图片。

2. 完成并提交一套测量装置主要结构件的零件图和总装图，数采系统接线图。

3. 根据毕业设计要求完成毕业设计说明书工作。

2 总体方案的确定

便携式机器人精度测量系统主要包括两大部分：距离测量装置和末端适配机构。距离测量装置能够测量并记录基点到机械手末端的距离，末端适配器能够灵活的转动以适配机械手末端的各种运动。

- 4 -

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 5 - 2．1 距离测量装置的方案确定

图2.1 距离测量装置方案简图

图中各零件分别是：1（上壳体）、2（钢丝绳）、3（滚动轴承）、4（下壳体）、5（发条弹簧壳体）、6（发条弹簧）、7（光电编码器）、8（主轴）、9（直线轴承）、10（鼓）、11（上壳螺纹结构）

本方案中，10（鼓）和8（主轴）在旋转方向上是没有相对转动的。鼓的上部开孔并有内螺纹，零件11（螺纹结构）上有外螺纹与鼓上的螺纹孔相配合，使线轴上下平移。拉绳缠绕在10（鼓）上，而且螺纹的螺距与拉线的直径相等的或略大于拉绳的直径d 。这样鼓旋转一周的同时，垂直方向上移动的距离正好为d ，因此可以保证钢丝绳在缠绕时会一圈一圈平铺在鼓上，而不会发生层层重叠缠绕的情况。

2．2 末端适配器的方案确定

图2.2 末端适配器三维方案图

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 6 -

图2.3 末端适配器二维方案图

末端适配器的内U 型件和机械手末端固定环之间、外U 型件与内U 型件之间都是通过销钉相连接，并且安装有轴承。本装置采用虎克铰链的结构，外部和内部两个铝合金的U 型件相互铰接构成虎克绞的结构两个U 型件分别可以在水平和竖直两个方向上灵活转动，这样可以使拉绳适应机器人任何运动姿态。钢丝绳的末端连接在外U 型件的螺钉处，无论机械手怎么运动，螺钉始终会在一个球面（半径记为R ）上运动，球心正好位于被测量机器人的末端上。

3 便携式机器人精度测量系统的详细结构设计

3．1 便携式机器人精度测量系统的结构组成

如下图3.1所示，便携式机器人精度测量系统主要由三部分组成，分别为：低惯量密绕装置、弹簧张紧装置、万向轮、末端万向适配器和外保护壳等。

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 7 -

图3.1

便携式机器人精度测量系统的主要结构组成 3．2 便携式机器人精度测量系统的工作原理

3.2.1 距离的测定

钢丝绳一圈挨一圈紧密缠绕与低惯量密绕系统的鼓上，光电编码器与主轴连接在一起，随着主轴的转动，光电编码器会实时记录主轴的转角，转角乘以鼓的周长可以计算出钢丝绳的伸长量S 。

d n s π?=3600

上式中n 表示编码器记录的脉冲数；d 表示鼓的直径。

设初始伸长量为L 0

()mm L 36.12333810100220=++-=

设测量装置A 到机械手末端P 的距离为L ：

R L s L ++=0

上式中R 表示挂钩螺钉运动时始终所在球面的半径

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 8 - 3.2.2 机械手末端坐标的测定

在距离测定的基础上，本装置可以测定机械手末端在空间中的坐标，能够用于机械手末端运动轨迹中离散点的标定。

图3.2 便携式机器人精度测量系统工作原理图

记P 点坐标（x,y,z ），将测量装置先后安装到工件坐标系0XYZ 中三个已知点A1、A2、A3上，可以测得其到P 点的距离分别为l 1，l 2，l 3

在支链O A1P 根据机构学中的封闭矢量法有：

A OA 11+=

11A -= 即????

??????-??????????=1111z y x z y x A 两边同时取模方： 得21

11

21z z y y x x P A ---=

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 9 - 同理：22

22

22z z y y x x P A ---=

23

33

23z z y y x x P A ---=

即()()()()()()()()()???

????-+-+-=-+-+-=-+-+-=232323232222222221212121z z y y x x l z z y y x x l z z y y x x l （3-1）

三个方程三个未知数，由上式即可解出机器人末端点P 的坐标（x,y,z ）。

3．3 低惯量密绕装置的设计

3.3.1 低惯量密绕系统的工作原理及组成

低惯量密绕装置是整个系统设计的关键之处，直接影响着测量系统的精度。拉绳是机器人精度的测量介质，所采用拉绳的直径为0.5mm 。拉绳缠绕在密绕装置上时要保证不能重叠缠绕，否则会使测量数据产生误差。

本设计中采用了特殊螺距的螺纹结构，使密绕装置沿轴向上下运动。而且螺纹的螺距与拉线的直径相等，这样使得拉绳每缠绕一周，密绕装置在竖直方向上向上或者向下移动拉绳直径那么大的距离即0.5mm,这样便保证细绳平铺缠绕在密绕装置上。

低惯量密绕系统主要包括以下几部分：主轴、鼓、直线轴承与滚动轴承、导向轴和钢质螺纹套。

3.3.2 主轴的设计

主轴是系统中最主要的回转部件，主轴首先要求较低的惯量，其次由于主轴是一个细长轴，也要求有一定的刚度，防止出现主轴弯曲而产生测量误差的现象。综合以上对主轴的性能要求，拟采用铝合金材料制造主轴。查阅市面上相关的铝合金牌照，经过相关比较，选取2A2011铝合金。

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 10 -

图3.3 主轴三维模型图

2A11铝合金别称标准硬铝，具有中等强度，在退火、刚淬火和热状态下可塑性尚好，可热处理强化，在淬火和自然时效状态下使用，点焊焊接性良好，进行气焊及氩弧焊时有裂纹倾向；可切削在淬火时效状态下尚好，在退火状态时不良。

如图3-2是主轴的三维模型，主轴的上部和中部的阶梯处安装滚动轴承，主轴最下部开有宽度为0.5mm 的窄槽，用来安装发条弹簧。主轴所受力很小，仅仅受到发条弹簧施加在主轴上的恢复力，大小约为6、7N ，因此在此选取主轴的轴径小径处为8mm,大径处为12mm ，主轴全长123mm 。轴径8mm 处与滚动轴承配合，此处宜选择过度配合，精度等级选择js6级。

主轴两侧设计有伸出端，形似两只胳膊，在此将其称之为主轴臂。主轴臂的总体厚度为4mm,中间部分加厚以防止主轴臂弯曲。主轴臂部末端有两个小孔，小孔孔径为3mm,与导向轴相配合。初步拟选择过盈配合使导向轴固定在主轴上，但导向轴长度为40mm,如果选择过盈配合的话，很难保证装配时导向轴的直线度。因此此处采用间隙配合，导向轴依靠两端的轴用弹性挡圈固定在主轴臂的小孔中。

由于主轴的形状不规则，若采用一体式的加工难度较大而且浪费原材料。因此考虑使主轴和主轴臂分开加工，由于2A1 1铝合金材质具有良好的焊接性能，此处采取焊接的方式固定在一起形成整体的主轴。但是采取焊接的方式会产生应力，使主轴臂发生变形，造成小孔垂直度误差。此处采用的工序是:先进行焊接，焊接完成后进行时效处理，去除应力，最后加工主轴臂上的小孔。这样可以消除焊接带来的变形造成的误差。

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 11 - 3.3.3 钢丝绳与编码器的选型

此机器人精度测量系统是以拉绳为介质测量机器人末端的位置，因此对测量介质即拉绳的要求较高，拉绳要满足以下两个条件：第一，拉绳具有较高的韧性，能够很容易地缠绕在鼓上。第二，拉绳要有较高的弹性模量，在发条施加一定恢复力的状态下，其伸长量可以忽略不计。

经过查阅相关资料，主要筛选出两种线材可供考虑：尼龙绳和钢丝绳。通过相关的比较，本装置中最终选择7×7股304不锈钢钢丝绳作为测量介质，每根钢丝绳由7股钢丝捻成，每股钢丝里又包含7股细丝。因为不锈钢钢丝绳材质有更高的杨氏弹性模量，抵抗伸长变形的能力更强。本设计中选取的钢丝绳的主要参数如下：

直径 d=0.4mm

材质 304不锈钢

杨氏弹性模量 E=200GPa

长度L 3m

最大承重

15kg

图3.4 光电编码器图

便携式的机器人精度测量系统是通过编码器记录的转角来计算出钢丝绳运动的距离，因此光电编码器的精度与质量对最终的测量结果有着直接的影响。本设计中采用增量型光电编码器即可。考虑到精度的要求、编码器的外形尺寸以及安装方式这些因素，对比市面上能够买到的多个厂家及多个型号的编码器，最终选择的编码器参数如下：

品牌：海德汉（HEIDENHAIN ）

安装孔：通孔型Φ8mm

型号：ERN430

线数:3600线

河北工业大学2015届本科毕业设计说明书

- 12 - 系统精度：1/20光栅周期

额定电压：12V 直流

质量：约0.3KG

3.3.4 鼓的设计

图3.5 鼓三维模型图

如上图是钢丝绳缠绕壳体的三维模型，由于其外观形似一张鼓，以下称其为“鼓”。 鼓的形状不规则，本身为薄金属圆柱形壳体，内侧有两个伸出端，由于其外形好像两个耳朵，以下称其为“耳”。

钢丝绳直接缠绕在鼓上，鼓是低惯量密绕系统的主要组成部分，其惯量的大小直接决定着密绕系统惯量的大小。显然，鼓的质量必须较小，才能使鼓具有较小的惯量，运动起来才能轻便灵活，保证系统对机器人末端运动的跟随性好，响应快。选择铝合金2A11材料制造，其密度为2.8g/cm 3，质量小，强度高，惯量小。

鼓的主要参数如下：

材料：2A11

直径: 60mm

壁厚：3mm

高度：30mm

由于两个耳的存在，鼓一体化加工难度较大。因此采用焊接的方式，将两个耳焊接到鼓上。但是焊接存在较大的应力和变形，容易造成上下直线轴承安装孔之间不同轴。为解决这一问题，采用先焊接，经过时效处理去除残余应力，再钻孔的方法，以保正上下孔之间较高的同轴度。耳上和鼓上平面开有孔，孔径为7mm ，4个孔与直线轴承外径相配合。为了便于安装，孔与直线轴承外径采用间隙配合的方式，孔直径φ

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7wqi.html