六自由度运动模拟器精度分析及其标定

论文摘要

随着载人航天技术的发展,空间对接技术已成为各国十分关注的问题。空间对接技术是建立载人空间站必须解决的关键技术,也是我国航天事业进一步发展所迫切需要解决的问题。为了有效掌握载人航天技术,并针对对接系统研制以及性能测试中需要解决的关键技术,对空间对接过程半物理仿真试验系统进行研究是非常必要的。六自由度运动模拟器作为空间对接过程半物理仿真试验系统的关键设备之一,其位姿误差直接影响整个系统的仿真精度。因此,提高六自由度运动模拟器的位姿精度对于空间对接过程半物理仿真试验研究具有十分重要的意义。为解决六自由度运动模拟器的位姿精度保证问题,本文密切结合空间对接过程半物理仿真技术的需要,针对提高六自由度运动模拟器位姿精度的关键问题——精度设计和运动学标定技术进行了深入的研究。本文利用机器人学中的齐次坐标变换方法,以哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所研制的六自由度运动模拟器为结构模型,将其各条分支链作为假想的单分支链,根据运动学方程以及并联机构的环路特性,建立了六自由度运动模拟器的位姿误差模型。利用此模型,可以对六自由度运动模拟器的位姿精度进行评估,并分析了六自由度运动模拟器位姿误差的标准差在工作空间内的分布规律,为进一步提高六自由度运动模拟器的位姿精度提供了理论依据。本文针对六自由度运动模拟器位姿的测量问题,提出了利用三坐标测量机测量运动平台上三个标准球对固定平台上三个标准球的距离,然后通过计算来确定六自由度运动模拟器的位姿。详细地分析、研究了位姿测量误差对三坐标测量机的测量误差和固定平台上三个标准球的位置误差的敏感性。推导出了三坐标测量机的测量误差、固定平台上三个标准球的位置误差对位姿测量误差的函数,发现只要适当地增大固定平台上三个标准球之间的相对距离,就能够有效地降低三坐标测量机的测量误差和固定平台上三个标准球的位置误差对位姿测量的影响,从而提高了位姿测量的准确性。本文研究了六自由度运动模拟器的外部标定技术,提出了基于运动学正、反解的外部标定方法,并完成了全部标定计算工作。首先,以六自由度运动模拟器运动学反解模型为基础,建立了标定模型,通过最小二乘算法和迭代算法求解六自由度运动模拟器的结构参数。对影响该标定算法计算精度的因素进行

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 并联机构的发展与应用
• 1.3 并联机构运动学研究的现状
• 1.4 并联机构精度研究的现状
• 1.5 并联机构标定研究的现状
• 1.6 论文的主要工作
• 第2章 六自由度运动模拟器的运动学分析
• 2.1 六自由度运动模拟器的结构原理
• 2.2 运动平台的位姿描述与坐标变换
• 2.2.1 RPY角
• 2.2.2 Euler角
• 2.2.3 RPY角与Euler角之间的转换
• 2.2.4 运动平台的位姿描述
• 2.3 六自由度运动模拟器的运动学
• 2.3.1 六自由度运动模拟器的反解
• 2.3.2 六自由度运动模拟器的正解
• 2.4 本章小结
• 第3章 六自由度运动模拟器的精度分析
• 3.1 引言
• 3.2 单分支链的误差模型
• 3.2.1 单分支链的运动学模型
• 3.2.2 单分支链的误差模型
• 3.3 六自由度运动模拟器的误差模型
• 3.3.1 虎克铰转角误差的计算
• 3.3.2 运动平台位姿误差的计算
• 3.4 六自由度运动模拟器的位姿精度分析
• 3.4.1 六自由度运动模拟器结构参数的误差分析
• 3.4.2 六自由度运动模拟器的位姿精度分析
• 3.5 仿真结果与分析
• 3.5.1 位姿误差模型的仿真验证
• 3.5.2 结构参数误差的变化对运动平台位姿误差的影响
• 3.5.3 基于标准差的位姿精度分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 六自由度运动模拟器的位姿测量
• 4.1 引言
• 4.2 刚体运动
• 4.3 位姿测量原理
• 4.3.1 坐标变换矩阵的计算方法
• 4.3.2 位姿测量
• 4.3.3 测量误差的来源
• 4.4 敏感度分析
• 4.4.1 相对于三坐标测量机的测量误差的敏感度分析
• 4.4.2 相对于测量参考点的位置误差的敏感度分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 六自由度运动模拟器的运动学标定
• 5.1 引言
• 5.2 运动学标定的过程和相关技术
• 5.3 基于运动学反解的标定
• 5.3.1 标定模型
• 5.3.2 标定算法
• 5.3.3 病态问题
• 5.3.4 仿真结果与分析
• 5.4 基于运动学正解的标定
• 5.4.1 标定算法
• 5.4.2 莱文-伯格算法
• 5.4.3 雅可比矩阵的计算方法
• 5.4.4 参数辨识的准确性与置信区间
• 5.4.5 位姿选取准则
• 5.4.6 仿真结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 六自由度运动模拟器运动学标定的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 坐标参考系
• 6.2.1 六自由度运动模拟器的坐标参考系
• 6.2.2 测量坐标参考系
• 6.3 位姿测量实验
• 6.3.1 确定固定平台上测量参考球在全局参考坐标系中的坐标
• 6.3.2 确定静系和全局参考坐标系之间的变换矩阵
• 6.3.3 位姿测量的实验结果
• 6.4 运动学标定实验
• 6.4.1 位姿精度检验
• 6.4.2 标定步骤
• 6.4.3 实验结果
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 致谢
• 个人简历
• 附录I