万向铰误差分析研究及其对机器人位姿测量机精度影响开题报告(简化)

安徽工业大学（专、本科学位论文）开题报告及工作计划表姓 名 学 号 专 业 研究方向 导师姓名 安 徽 工 业 大 学 年 月格式是保证文章结构清晰、纲目分明的编辑手段，撰写毕业论文可任选其中的一种格式，但所采用的格式必须符合上表规定，并前后统一，不得混杂使用。格式除题序层次外，还应包括分段、行距、字体和字号等。对于段落要求：（1）首行缩进两个字符（2）段前、段后行间距均安0.1行设置（3）行间距用固定行间距，设置值为1.3倍；对字体的要求：除标题用黑体外，其余全部用宋体；字号的要求：正文部分字号均用小四；以下以模板的形式具体给出。_20 _级 学位论文开题报告论 文 题 目万向铰误差分析研究及其对机器人位姿测量机精度影响论文选题来源本课题研究的目的、意义：（对于这类标题：段前段后设置13磅）本课题的研究对象是余晓流教授等研制的用于并联机床位姿检测的串并联坐标测量机。该测量机的特点是可实现并联机床位姿的综合检测，测量效率高。与单纯的串联机构或并联机构测量机相比，该串并联测量机还具有工作空间和刚度较大，动态误差和积累误差较小的特点。（1）首行缩进两个字符（2）段前、段后行间距均安0.1行设置（3）行间距用固定行间距，设置值为1.3倍；以下均同）目前该串并联测量机存在的问题是测量精度不够理想。它直接影响该测量机的工作性能。本课题要做的就是研制出高精度的万向铰，并对其进行误差研究、参数优化、参数标定，分析万向铰的结构误差对测量机位姿误差的影响；并对测量机机构参数进行优化，以进一步提高其测量精度和工作性能，促进该位姿综合测量机的实用化。本课题国内外研究概况（并在表格最后附上文献综述）：1. 对用于并联机构的万向铰的研究包括：1) 运动学及工作空间分析；（对于这类小编号采用：段前缩进1厘米，下同）2) 铰链架相对运动的干涉分析；3) 机构参数优化，使其具有较大的工作空间，较小的体积和较高的精度；4) 铰链的制造误差和位置误差对并联机构工作空间及终端位姿精度的影响。根据已有的研究可知万向铰的制造误差对并联机构终端位姿精度的影响较大，但是目前很少有关于高精度万向铰的研究。2. 机构参数的优化方法有：1) 数值计算方法；2) 模拟退火计算方法；3) 进化计算方法；4) 人工神经网络计算方法；5) 混合优化方法。本课题研究内容、研究方法及研究思路（技术路线）：1. 高精度万向铰的研制：1) 万向铰的设计：a) 提出高精度万向铰的结构方案；b) 用UG软件建模，并进行工作空间和干涉分析；c) 绘制图纸并制造。2) 万向铰的标定：用外部标定的方法，识别万向铰参数。3) 分析万向铰误差对测量机精度的影响：结合已经建立的测量机位姿误差模型，分析研制的万向铰对终端误差的影响。2. 机构参数的优化：用改进的遗传算法，以坐标测量机的位姿误差为目标函数对机构参数进行优化，得到全局最优解。本课题预期的进展和成果：预期进展：2007.11-2007.12 提出高精度万向铰的结构方案；2007.12-2008.2 用UG软件建模，并进行运动学分析，绘制图纸并制造；2008.3-2008.4 万向铰的标定：用外部标定的方法，识别万向铰参数；2008.52008.8 分析万向铰误差对测量机精度的影响：结合已经建立的测量机位姿误差模型，分析研制的万向铰对终端误差的影响；2008.9-2008.11 机构参数的优化：用改进的遗传算法，以坐标测量机的位姿误差为目标函数对机构参数进行优化，得到全局最优解；2008.12-2009.3 论文撰写，准备论文答辩.预期成果：1. 研制出高精度的万向铰。2. 发表两篇以上学术论文。本课题特色与创新之处：1. 拟改进的串并联六坐标测量机，相对串联结构或并联结构的六坐标测量机在结构上具有积累误差小，工作空间大的优点。2. 拟研制的高精度万向铰，将用高精度滚动轴承做转动副，使其具有高精度高灵活性的特点。预计存在的主要问题、困难及解决办法：1. 为了保证万向铰的灵活性，对具有高精度要求的测量机来说，相对较大的铰链间隙是必然存在的。这就要求设计的高精度万向铰在结构原理上要比一般万向铰的间隙小。拟用高精度滚动轴承做转动副来减小间隙，并保证万向铰的灵活性。2. 对机构参数优化时，由于作为目标函数的误差模型比较复杂，寻找全局最优解难度较大。拟用改进的遗传算法寻找全局最优解。导师意见： 导师签字： 年 月 日开题报告会评审组提出的主要问题、建议及意见：评审组组长（签名）： 年 月 日附：文献综述（要求格式明确、条理清楚、内容系统，并注明参考文献，以同类纸张附后）(格式是保证文章结构清晰、纲目分明的编辑手段，撰写毕业论文可任选其中的一种格式，但所采用的格式必须符合上表规定，并前后统一，不得混杂使用。格式除题序层次外，还应包括分段、行距、字体和字号等。 第一层次（章）题序和标题居中放置，其余各层次（节、条、款）题序和标题一律沿版面左侧边线顶格安排。第一层次（章）题序和标题距下文双倍行距。段落开始后缩两个字。行与行之间，段落和层次标题以及各段落之间均为1.3行距。 第一层次（章）题序和标题用小二号黑体字。题序和标题之间空两个字，不加标点，下同。 第二层次（节）题序和标题用小三号黑体字。 第三层次（条）题序和标题用四号黑体字。 第四层次及以下各层次题序及标题一律用小四号黑体字。结论（或结束语）作为单独一章排列，但标题前不加“第XXX章”字样。结论是整个论文的总结，应以简练的文字说明论文所做的工作，一般不超过两页。)（如果不会排版，同学可以用按照模格式板来写，应用word软件，不要用WPS写论文！）文献综述1. 选题背景并联机床是机器人技术与机床结构技术结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬件技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品，是最具“柔性”的智能制造单元之一。随着产业化进程的不断深入，并联机器人机床位置姿态检测的问题日显突出。目前对于并联机器人机床位置姿态检测大都采取单项测试。因此对并联机器人机床位姿综合检测的研究显得极为重要，许多学者正进行着并联机床位姿测量的研究。其中，华中科技大学研制了一种三维激光球杆装置，能方便地测量机床主轴或刀具的空间运行位置1；SASAJIMA KAZUYUKI提出一种可用于并联机构的新型激光干涉距离测量方法。此方法的显著特征是测量值中不包括关节间隙和测量长度中由弯曲变形引起的误差，在系统误差估计和计算中不呈现这些误差的影响2；OIWA, T.提出一种由封闭回路连杆机构组成的新型三坐标测量机（CMM），该坐标测量机是以空间并联运动学为基础，由特制球面关节，旋转关节，三个棱柱关节及相应精度线形比例尺，一个接触触发探头和八面体桁架框组成。交流伺服电动机驱动八面棱柱关节长度改变，从而实现探头在三维空间的运动，探头的坐标值由比例尺测得。通过对XYZ方向上的量规的测量实现对坐标测量机简单校准。通过重复操作来逐渐调节球面关节的定位运动学参数和支柱的初始长度运动学参数从而可正确计算量规的长度3；哈尔滨工业大学刘得军, 车仁生等对三自由度并联机构坐标测量机模型进行了研究4；哈尔滨工业大学孟婥等人设计了一种基于演化STEWART平台的六自由度并联机构坐标测量机模型，它有良好系统刚度、快速运动速度、无累积误差和灵活的末端位姿等一些特点5。坐标测量机从结构上可分为两大类：串联机构坐标测量机和并联机构坐标测量机。现在对串联运动机构坐标测量机的结构以及特点已经非常熟悉，对其各方面的研究也已达到了很高的水平，但由于串联机构自身固有的缺陷（比如整体刚度低、存在运动误差累积、相对质量较重以及本身违背Abbe原则等），使得其在中等尺寸测量中，测量精度和测量效率的提高都十分困难。并联机构坐标测量机与串联运动机构坐标测量机相比，有以下优点：整体刚度较大，动态误差较小；不存在累积误差，测量精度高；运动部件的惯性质量小，可实现高速、高效测量；测头位姿灵活。但是与串联机构测量机相比，并联机构运动学正解求解困难，并且工作空间较小，从而限制了其应用范围67。综合考虑串联机构和并联机构的特点，余晓流教授等提出了基于两自由度并联机构的串并联测量机构。以期实现坐标测量机具有较大的工作空间和刚度，较小的动态误差和积累误差，并已试制了一台样机。图1所示为基于串并联机构六坐标位姿检测系统样机。(插图要精选。图序可以连续编序（如 图52），也可以逐章单独编序（如 图6.8），采用哪种方式应与表格、公式的编序方式统一，图序必须连续，不得重复或跳跃。仅有一图时，在图题前加附图字样。毕业设计（论文）中的插图以及图中文字符号应打印，无法打印时一律用钢笔绘制和标出。由若干个分图组成的插图，分图用a,b,c,标出。图序和图题置于图下方中间位置，宋体五号字加粗)图1 基于串并联机构六坐标位姿检测系统(宋体五号字加粗)图2所示为基于串并联机构的六自由度测量臂机构原理图。图2A所示的三自由度串并联机构，将实现垂直方向运动的移动机构与实现平面运动的二自由度并联机构相串联，构成了具有三个自由度的串并联结构，实现机器人机床的位置测量。图2B所示的三自由度串并联机构，把一个转动副与一个具有两个转动自由度的并联机构相串联，构成具有三个自由度的串并联机构，以实现机器人机床的姿态测量。将图2A所示的三自由度串并联机构与图2B所示的三自由度串并联机构串联构成六自由度测量臂，将各运动副的检测元件的检测信号输入计算机系统进行运动学计算，计算结果为被测对象的位置姿态值，通过显示器实时显示出来，从而实现六坐标实时综合测量。BAY2,X3O0X0Y0Z0X1Y1Z1O2,3X2Y3Z2, 3Z4Y4X4O4,3图2. 基于串并联机构的六自由度测量量臂目前该样机存在的主要问题是测量精度不够理想，误差来源：1. 铰链的空间位置误差和机械杆的机械尺寸误差；2. 铰链本身的间隙；3. 加工时和受力时机械构件的变形；4. 移动副的间隙及定位误差；5. 转动副的间隙及定位误差；6. 传感器和计算机的数据读取误差。本次课题就是为该六自由度坐标测量机研制高精度的万向铰，并对其机构参数进一步优化，以提高该坐标测量机的测量精度。2. 国内外研究现状精度是坐标测量机最重要的性能指标之一，它直接影响测量机的工作性能。本课题要做的就是研制出高精度的万向铰，并对其进行误差研究、参数优化、参数标定，分析万向铰的结构误差对测量机位姿误差的影响；并对测量机机构参数进行优化，以进一步提高其测量精度和工作性能，促进该位姿综合测量机的实用化。1.万向铰的研究 万向铰作为一种能够提供两个自由度的铰链机构, 在各种结构形式的并联机构中得到了广泛的应用。万向铰制造误差对终端运动精度的影响较大，研制高精度的铰链，对保证终端精度是非常重要的。万向铰的工作空间对并联机构工作空间影响较大，万向铰干涉研究、工作空间优化对保证并联机构工作空间非常重要。文献89设计了一种采用枢轴球轴承和十字顶尖配合结构的虎克铰。由于该结构接触处面积小，因而提高了虎克铰的结构刚度，减小了因接触变形引起的误差，同时该结构还可以很容易地将工作间隙调整到无间隙状态。 文献10采用空间解析法,建立了两种常用的万向铰链机构传递动力的运动学和动力学模型。文献11 以工程上较常采用的由两个相同的直棱柱式铰链架构成的虎克铰作为研究对象,给出了一组在各种尺寸关系下用来判断铰链架相对运动时是否会发生干涉的数学公式,并在虚拟样机上得到了验证。文献12分析了十字轴式万向铰结构参数对支架干涉的影响，并给出了判断万向铰干涉的简化数学模型。文献1314分析了虎克铰对并联机器人工作空间的影响。对虎克铰的安装设计进行了优化。文献15以六自由度并联机床XNZ63为结构模型, 分析了铰链的各种制造误差。利用D-H方法，建立包含铰链制造误差的运动学方程, 通过仿真计算得到工作空间内铰链制造误差对终端运动精度的影响规律。并为有同类铰链的并联机床提供了高效通用的铰链制造误差补偿算法。文献16将单条支链作为串联链建模，将Stewart平台的各条支链作为假想的单开链，利用串联机器人运动学中的D-H法结合从运动学方程微分得到的结论，推导出终端运动误差和铰链间隙误差间的映射关系。文献1718用直接微分法针对驱动器误差、铰链自身误差和铰链定位误差建立误差模型，没有考虑支链间的耦合效应。文献19应用机器人微分关系建立了6-SPS 机构位姿误差分析的正解模型,对于给定的各结构参数误差,可直接得出主轴端的位姿误差. 应用这种误差正解方法可定量地确定结构参数设计精度,并能找出特定位姿下的敏感结构参数。文献20通过建立矢量法误差求解模型对6UPS并联机构进行了矢量法标定计算,获得了机构静平台铰链的安装位置误差、杆长的误差变化、动平台铰链的位置误差数值。并提出了采用拟合误差椭球面的方法对铰链位置装配误差与铰链间隙误差进行分离的误差分析方法,研究了椭球的求解方法,得到了椭球的长轴、次长轴和短轴参数,并进一步比较了所有铰链误差在坐标系中的空间分布情况。研究了机构安装结构和铰链类型与误差分布规律的相互关系。文献21利用杆长逐次逼近的方法，只考虑各铰点的位置误差，分析了并联机器人的机构误差。文献22采用矩阵法建立了5UPS/PRPU并联机构的误差模型，用蒙特卡洛技术模拟分析了驱动杆杆长误差和球铰、虎克铰误差对终端误差的影响。并介绍了具有内外环结构的新型万向铰。2机构参数的优化机构的优化首先是将设计问题抽象成优化设计数学模型简称为优化建模，然后选用优化计算方法并编写计算机程序求出数学模型的最优解简称优化计算。优化计算方法主要有以下几种：1) 数值计算方法：是一种按规定格式作迭代计算的一类方法23。2) 模拟退火计算方法：根据物理退火过程构造的一类方法，由某一较高初温的点开始，利用其概率突跳特性和随即抽样策略，在解空间进行随即搜索，伴随温度不断下降与重复抽样过程，最终可逼近到问题的全局最优解。文献24对一种平面2-DOF并联机构的几何尺寸以结构紧凑为目标函数并考虑实际物理条件约束，运用模拟退火法对其进行了优化。3) 进化计算方法：是根据生物进化构造的一类算法，算法将保持一个竞争的解群体，经过杂交和变异等遗传操作更新换代，最终找到问题的最优解或次优解。文献25在考虑必要机械约束的基础上, 以支链误差传递率为性能指标,采用遗传算法实现了对一种带从动支链的3自由度并联机构的尺度参数优化。文献26以机构速度雅可比矩阵条件数、误差映射矩阵的最大奇异值作为优化设计参数,利用遗传算法来实现3 - RUU 并联微动机构优化设计。较好地实现对并联机构的结构尺寸综合优化。文献27以液压缸的行程和受力的线性加权和作为目标函数,采用改进的遗传算法进行了优化,无需大量的试凑计算就能快速有效地获得六自由度舰船模拟器最优解，且优化结果合理可行。人工神经网络计算方法：这是模仿人类大脑拓扑结构和智能思维方式而构造的一类算法，具有结构化、并行性、容错性、自组织自学习等许多优良特性，但存在初始选择盲目、容易陷入局部最优解和计算效率低的缺陷。文献28采用自组织神经网络对实例库中的所有实例进行分类，得到一系列相似实例库，用这些子实例库中实例的特性去确定相对应的线性神经网络，用这些线性神经网络计算优化设计初始点，最后对所得到的优化初始点进行优化，得到门机变幅机构的优化设计参数。混合优化方法： 用几种不同优化方法混合起来构成一种优化方法，以克服单一方法的不足。文献29利用随机优化算法、遗传法和模拟退火法的优点设计了一套遗传退火混合优化算法,并将其应用于平面连杆变幅机构轨迹复演的优化。该算法的稳定收敛性良好,对多峰值的目标函数能以较大的概率搜索到全局最优解。文献30将遗传算法和蚁群算法结合起来, 在蚁群算法的每一次迭代中, 首先根据信息量选择解分量的初值, 然后使用变异操作来确定解的值。以机构运动轨迹逼近某一给定运动规律对机构进行了优化。文献31将模拟退伙算法中的Metropolis准则引入到实值编码遗传算法的选择操作中，对并联机器人结构进行了优化，结果优于标准遗传算法得出的优化结果。参考文献（为了反映论文的科学依据和作者尊重他人研究成果的严肃态度，同时向读者提供有关信息的出处，正文之后一般应刊出主要参考文献。列出的只限于那些作者亲自阅读过的，最重要的且发表在公开出版物上的文献或网上下载的资料。论文中被引用的参考文献序号置于所引用部分的右上角如*1。参考文献表上的著作按论文中引用顺序排列，著作按如下格式著录：序号 著者. 书名(期刊). 出版地: 出版社，出版年顺序列出(据GB 7714-87文后参考文献著录规则)。如：1 江北. 场论. 北京: 科学技术出版社, 2000年2月）1.赵俊伟,范光照. 三维激光球杆测量装置及其应用.华中科技大学学报. 2001, 第29 卷第5 期, p.1-32.Sasajima Kazuyuki. 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