[發明專利]面向加工現場的串聯工業機器人靜態剛度辨識系統和方法

有效

• 申請號: 202011608885.5
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112743575B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 劉志兵;潘小雨;王西彬;焦黎;解麗靜;梁志強;顏培;周天豐;沈文華;滕龍龍
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本發明公開了一種面向加工現場的串聯工業機器人靜態剛度辨識系統和方法，涉及工業機器人剛度標定技術領域。本發明方法包括以下步驟：建立機器人速度雅可比矩陣和力雅可比矩陣；建立機器人關節剛度模型；對機器人進行位姿選取，測量特定位姿下機器人末端受力與變形；采用最小二乘法，結合實驗數據計算機器人關節剛度。與現有技術相比，具有以下有益效果：采用千分表以及三維力傳感器對機器人關節剛度進行辨識，大幅降低了機器人剛度辨識的成本；避免了傳統表示方法采用激光跟蹤儀易受環境溫度、空氣振動、光照強度等因素影響的缺點，采用千分表檢測機器人末端變形能夠有效提高加工現場機器人關節剛度辨識的精度。

技術領域

本發明涉及工業機器人剛度標定技術領域，更具體的說是涉及一種面向加工現場的串聯工業機器人靜態剛度辨識系統和方法。

背景技術

工業機器人近些年被廣泛應用于鉆孔、磨削、銑削等加工領域。相對于傳統數控機床，工業機器人具有高度的加工靈活性，其多關節的結構帶來了更高的自由度，能夠采用更加靈活多變的位姿達成加工目標。另一方面，由旋轉關節連接的長連桿串聯結構導致工業機器人的剛度僅為傳統數控機床的1/50～1/20，導致工業機器人受工作載荷時，末端會產生較大的變形。切削加工中較大的切削力作用于弱剛性結構會影響加工穩定性，甚至產生顫振等現象，嚴重影響加工精度，破壞零件表面質量，難以滿足高精度加工需求。

針對串聯工業機器人弱剛性問題，需要對機器人進行剛度建模與辨識，關節剛度辨識是其中重要的一環。機器人關節剛度辨識方法主要是靜剛度辨識，在建立機器人關節剛度與末端剛度的靜態模型的基礎上，對機器人末端施加靜態外力載荷并測量末端變形量獲得機器人末端剛度，通過算法計算機器人各關節剛度。但該辨識系統存在對實驗設備要求高，成本高，易受環境影響，實施復雜等問題。常規末端載荷和變形量的測量需要采用六維力傳感器及激光跟蹤儀系統，成本過高，另一方面，加工現場環境復雜，環境溫度很難保持恒定，光照強度不穩定以及設備運轉下帶來的空氣振動均會嚴重影響激光跟蹤儀的精度，導致最終測量結果不準確，精度不足，且由于激光的不可穿透性因此對設備安裝位置和工業機器人的位姿有諸多限制。

因此，提出一種面向加工現場的低成本，易實施，高精度的串聯工業機器人關節剛度辨識系統及方法，對本領域技術人員來說是亟待解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種面向加工現場的串聯工業機器人靜態剛度辨識系統和方法，以解決背景技術中提出的問題，避免了傳統方法采用激光跟蹤儀易受環境溫度、空氣振動、光照強度等因素影響的缺點。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一方面，提供一種面向加工現場的串聯工業機器人靜態剛度辨識方法，包括以下步驟：

建立機器人速度雅可比矩陣和力雅可比矩陣；

建立機器人關節剛度模型；

對機器人進行位姿選取，測量特定位姿下機器人末端受力與變形；

采用最小二乘法，結合實驗數據計算機器人關節剛度。

優選的，所述建立機器人速度雅可比矩陣和力雅可比矩陣的具體過程為：

采用DH法建立機器人運動學模型；

利用微分變換法，在所述機器人運動學模型的基礎上推導機器人速度雅可比矩陣和力雅可比矩陣。

優選的，所述機器人運動學模型為：

優選的，所述推導機器人速度雅可比矩陣和力雅可比矩陣的具體過程為：

對于旋轉關節i，其關節速度在末端產生的角速度同時在末端產生的線速度為矢量積：

則所述速度雅可比矩陣的第i列如下：