【正文】 品的質(zhì)量和性能。此外，一些高精度的測量儀器（如激光跟蹤儀、三座標機等），不僅價格昂貴不適用于中小型企業(yè)，更重要的是其體較大，不便攜帶，無法進行隨時隨地現(xiàn)場標定測量。1．2 便攜式機器人精度測量系統(tǒng)的國外研究現(xiàn)狀在機器人標定的過程中，測量手段是一個極其重要的因素。運動學標定步驟大致分為四個步驟：建?！獪y量—參數(shù)辨識—補償。由于自標定幾乎都是針對運動學參數(shù)的,故把自標定也列為運動學標定方法之一。該方法以關節(jié)角和其對應誤差分別作為輸入輸出來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡,通過對關節(jié)角進行補償來提高機器人的位姿精度,在很多工業(yè)場合得到了成功的應用。該方法以關節(jié)角值和其對應誤差分別作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入和輸出來訓練網(wǎng)絡,得到在任意關節(jié)角時的誤差值,通過修正關節(jié)角來實現(xiàn)位姿誤差的實時補償。此外,清華大學也在進行類似的研究。蔡鶴皋等利用修正的DH模型推導了RMA一I型機器人的實際幾何參數(shù)識別公式,該公式適用于任何串連機器人的幾何參數(shù)識別,標定后機器人的精度提高了一個數(shù)量級。我國對機械設備如各類數(shù)控機床的誤差標定進行的比較好,但專門針對機器人的標定才剛剛開始,研究對象和研究方法都比較單一,還沒有形成系統(tǒng)化的、實用的標定方法,隨著各種工業(yè)機器人在我國各行業(yè)的使用越來越廣泛,我們需要大力加強這方面的研究工作。如今，大多數(shù)的工業(yè)機器人制造商和一些服務商（如美國的Dynalog公司和Nikon Metrology公司）使用3D甚至6D的測量裝置來對機器人進行位置標定。然而，機器人位置標定技術讓仍然是單一的測量方式，更具體的來說，大多數(shù)廠商是依據(jù)ISO9283的標準來進行位置標定的，然而這種位置標定的方法本身就有很大的局限性，所采集的信息無法保證標定的機器人的絕對精度。 用于機器人動態(tài)精度標定的系統(tǒng)主要有激光跟蹤系統(tǒng)、CCD 交互測量系統(tǒng)、超聲波測量系統(tǒng)、位置測量系統(tǒng)和帶有接近傳感器的測量系統(tǒng)。 美國Dynalog公司于上世紀90年代開發(fā)出CompuGauge機器人性能測試系統(tǒng)，主要通過角度編碼器計量4條拉繩的長度，從而實時計算出機器人的末端位姿，測量精度較高，且操作簡便，能夠在幾分鐘之內(nèi)完成自動測量和標定過程，該產(chǎn)品一經(jīng)問世就受到世界范圍內(nèi)機器人制造商的關注。然而由于其價格昂貴(約60萬)，難以滿足終端用戶的機器人快速校準需求。1．5 課題研究內(nèi)容與參數(shù)要求本課題結合工業(yè)機器人用戶對快速測量和標定裝置的需求，主要研究的內(nèi)容如下：1. 掌握拉繩式測量裝置的工作原理，基于Solidworks三維軟件完成測量裝置的概念設計。3. 完成所有零件圖和總裝圖繪制，并在三維軟件中建立虛擬樣機模型。測量系統(tǒng)技術指標按如下參數(shù)設計：：：3m：1kHz：小于3kg具體要求如下：1. 完成測量裝置虛擬樣機設計，提交渲染圖片。3. 根據(jù)畢業(yè)設計要求完成畢業(yè)設計說明書工作。距離測量裝置能夠測量并記錄基點到機械手末端的距離，末端適配器能夠靈活的轉(zhuǎn)動以適配機械手末端的各種運動。鼓的上部開孔并有內(nèi)螺紋，零件11（螺紋結構）上有外螺紋與鼓上的螺紋孔相配合，使線軸上下平移。這樣鼓旋轉(zhuǎn)一周的同時，垂直方向上移動的距離正好為d，因此可以保證鋼絲繩在纏繞時會一圈一圈平鋪在鼓上，而不會發(fā)生層層重疊纏繞的情況。本裝置采用虎克鉸鏈的結構，外部和內(nèi)部兩個鋁合金的U型件相互鉸接構成虎克絞的結構兩個U型件分別可以在水平和豎直兩個方向上靈活轉(zhuǎn)動，這樣可以使拉繩適應機器人任何運動姿態(tài)。3 便攜式機器人精度測量系統(tǒng)的詳細結構設計3．1 便攜式機器人精度測量系統(tǒng)的結構組成，便攜式機器人精度測量系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為：低慣量密繞裝置、彈簧張緊裝置、萬向輪、末端萬向適配器和外保護殼等。上式中n表示編碼器記錄的脈沖數(shù)；d表示鼓的直徑。 便攜式機器人精度測量系統(tǒng)工作原理圖記P點坐標（x,y,z），將測量裝置先后安裝到工件坐標系0XYZ中三個已知點AAA3上，可以測得其到P點的距離分別為l 1，l 2，l 3在支鏈O A1P根據(jù)機構學中的封閉矢量法有：即兩邊同時取模方：得同理：即 （31）三個方程三個未知數(shù)，由上式即可解出機器人末端點P的坐標（x,y,z）。拉繩是機器人精度的測量介質(zhì)。本設計中采用了特殊螺距的螺紋結構，使密繞裝置沿軸向上下運動。低慣量密繞系統(tǒng)主要包括以下幾部分：主軸、鼓、直線軸承與滾動軸承、導向軸和鋼質(zhì)螺紋套。綜合以上對主軸的性能要求，擬采用鋁合金材料制造主軸。 主軸三維模型圖2A11鋁合金別稱標準硬鋁，具有中等強度，在退火、剛淬火和熱狀態(tài)下可塑性尚好，可熱處理強化，在淬火和自然時效狀態(tài)下使用，點焊焊接性良好，進行氣焊及氬弧焊時有裂紋傾向；可切削在淬火時效狀態(tài)下尚好，在退火狀態(tài)時不良。主軸所受力很小，僅僅受到發(fā)條彈簧施加在主軸上的恢復力，大小約為7N，因此在此選取主軸的軸徑小徑處為8mm,大徑處為12mm，主軸全長123mm。主軸兩側設計有伸出端，形似兩只胳膊，在此將其稱之為主軸臂。主軸臂部末端有兩個小孔，小孔孔徑為3mm,與導向軸相配合。因此此處采用間隙配合，導向軸依靠兩端的軸用彈性擋圈固定在主軸臂的小孔中。因此考慮使主軸和主軸臂分開加工，由于2A1 1鋁合金材質(zhì)具有良好的焊接性能，此處采取焊接的方式固定在一起形成整體的主軸。此處采用的工序是:先進行焊接，焊接完成后進行時效處理，去除應力，最后加工主軸臂上的小孔。 鋼絲繩與編碼器的選型 此機器人精度測量系統(tǒng)是以拉繩為介質(zhì)測量機器人末端的位置，因此對測量介質(zhì)即拉繩的要求較高，拉繩要滿足以下兩個條件：第一，拉繩具有較高的韌性，能夠很容易地纏繞在鼓上。經(jīng)過查閱相關資料，主要篩選出兩種線材可供考慮：尼龍繩和鋼絲繩。因為不銹鋼鋼絲繩材質(zhì)有更高的楊氏彈性模量，抵抗伸長變形的能力更強。本設計中采用增量型光電編碼器即可。鼓的形狀不規(guī)則，本身為薄金屬圓柱形殼體，內(nèi)側有兩個伸出端，由于其外形好像兩個耳朵，以下稱其為“耳”。顯然，鼓的質(zhì)量必須較小，才能使鼓具有較小的慣量，運動起來才能輕便靈活，保證系統(tǒng)對機器人末端運動的跟隨性好，響應快。鼓的主要參數(shù)如下：材料：2A11直徑: 60mm壁厚：3mm高度：30mm由于兩個耳的存在，鼓一體化加工難度較大。但是焊接存在較大的應力和變形，容易造成上下直線軸承安裝孔之間不同軸。耳上和鼓上平面開有孔，孔徑為7mm，4個孔與直線軸承外徑相配合。初步考慮在上端面設計有一個φ24mm的孔，孔中有M24。由于其螺距較小而且鋁合金的強度較低，在使用過程中螺紋容易磨損磨損失效。這樣即使螺紋由于長時間使用而發(fā)生磨損，只需更換一個新的鋼質(zhì)螺紋套即可。材料選擇45鋼，調(diào)制處理，以達到較高硬度和強度，延長螺紋的使用壽命。兩端的耳部有沉孔。 導向軸和直線軸承的選型與設計 直線軸承與導向軸 直線軸承沿著主軸在z軸方向上垂直移動。直線軸承如上圖所示，為了減少重量，節(jié)省空間，本設計中直線軸承選用4個內(nèi)徑φ3mm微型兩面切割法蘭直線軸承，從米思米上采購。法蘭上帶有雙安裝孔，通過M2mm的內(nèi)六角圓柱頭螺釘與鼓的上端面預留的螺紋孔連接。其材質(zhì)為45鋼，表面鍍鉻，保證其有較高的剛度和較好的表面質(zhì)量，減小了導向軸與直線軸承間的摩擦力。初步考慮采用過盈配合的方式將其安裝到主軸預留孔上，但是導向軸的較長，過盈配合會給裝配帶來很大的困難。采購來的導向光軸要加工出兩個槽，用來安裝兩側的M3mm的軸用彈性墊圈。但是因為設計中大量使用采購的標準件，比如直線軸承，其長度為10mm，冗余的長度要占據(jù)一定的空間。以下是干涉情況的初步計算，在第 章中，會通過三維軟件的運動仿真來詳細實現(xiàn)低慣量密繞系統(tǒng)的干涉狀況檢驗。那么鼓在垂直方向上必要的移動距離S=pN=20=10mm (33) 式34中，p=；上殼體腔體的總高度至少為 (34)設計中上殼體內(nèi)部空腔的高度為47mm，經(jīng)檢驗不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。彈簧裝置提供的回復力要適中，如果彈力太大，會使鋼絲繩產(chǎn)生額外的變形，影響測量的精度。另外，張緊裝置提供的回復力在一定范圍內(nèi)可認為是恒定的，在主軸的轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)不能變化太大，否則會使鋼絲繩在纏繞在鼓上時產(chǎn)生偏差。顯然，發(fā)條優(yōu)勢更大，發(fā)條和主軸更易于連接，安裝方便，而且發(fā)條提供的回復力更加平穩(wěn)，在主軸轉(zhuǎn)動圈數(shù)范圍內(nèi)可以認為是恒定的。其相關參數(shù)如下：厚度 展開長度 ≈2m高度 6mm回復力 ≈6N購買來的一盤發(fā)條展開長度近2m，并且隨著發(fā)條彎成的圓盤的直徑不同其回復力大小也不同。因此在卷簧殼的設計中為發(fā)條預留直徑40mm的圓孔。借鑒卷尺中發(fā)條的定位，這里采取類似的簡單可靠的定位方式。而發(fā)條的另一端通過外力將其塑造成直徑為6mm的渦卷圓形，這部分卷簧插入卷簧殼上預留的直徑為6mm，深度為8mm的圓孔中。3．5 萬向輪的設計本裝置中的萬向輪工作原理類似于拉桿底端的萬向滑輪。當機器人末端快速運動時，不僅鋼絲繩可以快速伸縮，而且萬向輪能夠靈活地轉(zhuǎn)動，這樣，測量系統(tǒng)的響應速度快，跟隨性能優(yōu)。而且軸承的