六自由度运动模拟器精度分析及其标定

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了详细分析，指出良好的标定方程的系数矩阵是提高标定算法精度的前提条件。并通过算例和标定实验验证该方法的有效性。
　　为了进一步提高六自由度运动模拟器结构参数的辨识精度，本文提出了以六自由度运动模拟器运动学正解为基础，结合总体最小二乘参数辨识方法，建立了包含位姿测量误差、驱动腿伸缩长度测量误差和结构参数误差在内的标定模型，并给出结构参数辨识的非线性最小二乘准则函数以及牛顿-拉夫逊估计算法，讨论了雅可比矩阵的求解方法，从而完整地阐明了结构参数辨识的计算过程。在迭代算法中，初值的选取是很重要的问题，它直接关系到算法是否收敛、是否会陷入局部最优解，对此本文提出了以运动学反解的辨识结果作为初值，这不但解决了上述问题，并且由于初值已经充分地接近了真值，明显地减少了迭代次数，提高了运算速度。对于噪声引起的病态矩阵问题，本文采用莱文-伯格算法加以解决。另外，本文还简要地讨论了标定位姿组的选择问题以及测量噪声对标定精度的影响。在此基础上，进行了实验验证。实验效果显著，六自由度运动模拟器的位置误差的根均方值从4.2mm下降到0.5mm，姿态误差的根均方值从0.61°下降到0.12°。

目录

六自由度运动模拟器精度分析及其标定

ACCURACY ANALYSIS AND CALIBRATION OF SIX-DOF MOTION SIMULATOR

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

2.3 六自由度运动模拟器的运动学

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

3.3 六自由度运动模拟器的误差模型

3.4 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

3.6 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

4.4 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

5.4 基于运动学正解的标定

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

6.3 位姿测量实验

6.4 运动学标定实验

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