[发明专利]一种工业机器人变参数刚度辨识与建模方法

说明书

本发明公开了一种工业机器人变参数刚度辨识与建模方法，属于工业机器人刚度辨识技术领域。该方法将机器人有效工作空间划分为多个立方体区域，针对某个加工区域的作业任务通过对末端执行器在该区域多位置、多姿态下施加不同载荷，根据载荷与末端形变的关系，辨识获取该区间的机器人关节刚度，实现机器人在加工过程中不同作业区间下的刚度精确控制。本发明方法能实现机器人作业过程刚度性能准确评估，从而精确预测受载加工过程中的末端变形，进而达到提高加工精度和质量的效果，满足机器人在铣削、制孔等高精加工领域的应用要求。

技术领域

本发明属于机器人刚度辨识技术领域，具体涉及一种工业机器人变参数刚度辨识与建模方法，能实现机器人作业刚度准确建模与评估。

背景技术

工业机器人作为典型的柔性平台，具有高度运动灵活性，可以高效完成复杂的空间定姿，同时能够在高性能控制器支持下迅速调整作业轨迹和设备状态，是高端制造业尤其是航空航天等高附加值制造装配领域的核心加工装备。但是工业机器人受其串联结构固有特性的影响，其刚度仅有数控机床的1/50～1/20，弱刚性的结构特点导致工业机器人对工作载荷的耐受能力偏低，从而会影响机器人加工轨迹精度和产品表面质量，难以满足精度要求高、装配过程复杂的高附加值产品的制造装配需求。

针对机器人弱刚性问题，需对机器人刚度特性与刚度建模方法开展研究，机器人关节刚度辨识是机器人刚度建模的关键一环。在文献“Abele E,Weigold M,RothenbücherS.Modeling and identification of an industrial robot for machiningapplications.Ann CIRP,2007,56(1)：387–390”中，Adele E等人在测量五自由度的机器人各关节的关节刚度时，将其他关节锁死，通过测量目标关节在末端负载下的变形获得其关节刚度，然而这种近似简化处理得到的刚度模型准确性不高。

在文献“Shih-Feng Chen and Imin Kao.Conservative CongruenceTransformation for Joint and Cartesian Stiffness Matrices of Robot Hands andFigures.The International Journal of Robotics Research,2000,(19)9:835-847”中Chen等人建立了机器人关节柔性与笛卡尔柔性之间的映射关系，实现了机器人刚度的理论计算，并指出末端刚度与机器人的姿态直接相关。在此基础上Claire Dumas与StephaneCaro等在文献“Claire Dumas,Stephane Caro,Sebastien Garnier and BenoitFuret.Joint stiffness identification of six-revolute industrial serialrobots.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2011,27:881-888”中研究了机器人运动学特性，并通过不同姿态下在机器人末端施加静载荷，测量机器人变形，可以拟合辨识得到工业机器人六个关节的刚度系数。但是在实际应用中，该方法存在以下不足：

(1)在执行点位作业任务(如制孔)时，机器人关节电机处于抱闸状态，机器人处于连续轨迹作业(如铣削)时，关节电机不抱闸，没有考虑抱闸对关节刚度辨识结果的影响；

(2)机器人关节可以简化为扭簧模型，关节刚度的本质非线性特征导致对应不同机器人姿态下的关节角度，辨识出的关节刚度也会有区别，即一组关节刚度辨识结果并不能很好的满足全工作空间的刚度模型的精度要求。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种工业机器人变参数刚度辨识与建模方法，以解决现有技术中针对静刚度辨识结果对全作业空间适用性不高导致机器人刚度建模准确度不理想的问题；实现了工业机器人的刚度建模精度的有效提升与机器人作业状态下末端受载变形的精确预测。