基于封闭运动链的关节式坐标测量机自标定方法研究

The Articulated Arm Coordinate Measuring Machine (AACMM) is a kind of portable precision geometrical accuracy measuring instrument. Currently, domestic studies in the area are still in the stage of tracking research. Measurement accuracy problems are the main fact that restricts the development of AACMMs and calibration is a key technology to improve the accuracy of AACMMs. This project proposes self-calibration methods to improve the accuracy of AACMMs. The error propagation from the structural parameters to the probe movement of the AACMM is studied. And the error propagation model is set up to analyze the identifiability and the coupling relationship of the structural parameters. According to the kinematic characteristics of the AACMM, the self-calibration model is established based on a closed kinematic chain which is formed by external physical constraints. And the mapping relationship between the parameters of the kinematic chain and the structural parameters of the AACMM is established. A method enhancing the numerical stability of the coefficient matrix model is proposed to improve the convergence ability in solving the structural parameters. The parameter settings of the self-calibration model and data acquisition strategies are optimized to improve the poor identifiability of the structural parameters of the AACMM. The identification algorithms based on optimization theory and modern intelligent algorithms are designed, and experimental test will be carried on to verify the self-calibration method. The research results of the project are important for the development of the AACMM in China.

关节式坐标测量机是用于产品几何精度检测的便携式精密测量仪器，目前我国处于跟踪研究阶段，制约其发展的主要原因是测量精度问题，而标定是提高其测量精度的一项核心技术。本项目提出采用自标定的方法来辨识关节式坐标测量机的结构参数，进而提高其测量精度。研究关节式坐标测量机结构参数对测头运动的误差传递规律，建立误差传递模型，分析结构参数的可辨识性及误差耦合关系。依据关节式坐标测量机的运动学特性，基于外部物理约束构建封闭运动链，建立运动链参数与关节式坐标测量机结构参数之间的映射关系，建立自标定模型。提出通过增强自标定模型系数矩阵的数值稳定性方法，来提高结构参数辨识计算的收敛能力，并基于数值稳定性分析结果，优化封闭运动链参数及自标定数据采集策略。基于最优化理论和现代智能算法编制结构参数辨识算法，构建实验平台，开展实验验证。研究成果对提高关节式坐标测量机的测量精度、促进我国关节式坐标测量机的发展具有重要意义。

针对关节式坐标测量机结构参数可辨识性和耦合关系不明、精度低的问题，提出了基于封闭运动链的关节式坐标测量机自标定，开展了关节式坐标测量机的运动学建模、结构参数误差传递、可辨识性和耦合关系分析、自标定建模和实验验证等方面的研究工作。主要研究：1）系统地开展了关节式坐标测量机的运动学建模方法研究，探明了关节式坐标测量机结构参数误差的传递规律，研究了关节式坐标测量机的自标定原理，分析了构成封闭运动链的方法，建立了关节式坐标测量机的自标定模型，并利用物理约束构成了封闭运动链；2）通过关节式坐标测量机自标定运动链的特性，提出一种自标定模型数值稳定性评价方法，根据运动学模型和关节转角数据建立了结构参数辨识超定方程组，发现了自标定模型中系数矩阵的参数耦合关系并进行了解耦分析，大大提高了辨识结果的效率和鲁棒性；3）通过对运动学建模奇异现象和D-H法所建立的齐次转换矩阵进行理论分析，发现了关节式坐标测量机的同比例缩放规律，进而推导出当前主流的利用关节式坐标测量机重复性来进行标定的缺陷，提出解决重复性标定中因同比例缩放而产生的系统误差的补偿方法，提高了标定精度；4）根据所建立的自标定模型，设计了自标定实验装置，通过参数辨识实验结果的分析，提出了增强参数辨识鲁棒性的实验方案，并通过实验验证了参数辨识和误差补偿的有效性。.通过本项目的研究可为关节式坐标测量机的设计、元器件选型、精度校准等提供关键理论依据，对提高关节式坐标测量机的稳定性和精度，推进关节式坐标测量机的国产化，增强国产关节式坐标测量机产品的核心竞争力，打破国外公司在这一领域的产品和服务技术垄断等方面都有着十分重要的意义。本项目提出的关节式坐标测量机自标定理论和方法对于同样是连杆结构的工业机器人的标定有重要的参考意义，丰富了多关节连杆机构运动学和精度校准的理论。