[发明专利]一种混联机器人刚度模型的解耦方法

说明书

本发明公开了一种解耦混联机器人刚度性能的螺旋理论和应变能方法，属于机器人刚度分析领域，所述方法包括以下步骤：建立并联模块支链的约束螺旋系；建立支链每一个弹性元件应变能基于约束螺旋系的表达式；确定并联模块支链约束螺旋系与末端外部载荷的映射关系；建立并联模块和串联模块应变能基于末端外部载荷的表达式；获得每一个弹性元件对机器人整体的柔度/刚度贡献矩阵以及对末端弹性变形的贡献。通过本发明提出的方法，可以解耦每一个弹性元件对机器人刚度性能的贡献，为定位对机器人刚度性能影响较大的弹性元件，实现对机器人刚度性能调控提供了有效途径。

技术领域

本发明是一种混联机器人刚度模型的解耦方法，属于混联机器人刚度分析领域。

背景技术

近年来，航空航天、汽车、船舶等高端制造领域发展迅速，对复合材料大型曲面结构件的需求急剧增加，此类大型结构件具有尺寸大、壁薄、易变形、切削加工难度大、零件精度高等工艺特点，加工过程易造成各种形态缺陷，对加工装备的工作空间、进给速度和定位精度等指标提出了更高要求。在并联机构基础上串联运动链形成的混联机器人高速加工装备则结合了并联和串联机构在工作空间、刚度和加工精度等方面的优点，成为具有复杂曲面的复合材料大型结构件高速高精度钻铣加工装备的重要发展方向。然而我国在机床领域起步较晚，如今高档数控加工中心市场几乎被国外产品垄断，其中以瑞士、德国、日本为代表的机床占据了绝大部分的高端市场。我国的五自由度混联机器人与国外机器人相比在加工精度和表面光洁度等方面还存在一定差距。国外在混联机器人领域对我国实行技术封锁，且引进技术昂贵，严重制约了我国在船舶、航空航天等高端制造领域的发展。混联机器人的刚度性能直接影响其加工精度。因此，研究混联机器人的刚度模型及刚度性能提升机理，对于提升机器人的加工精度具有重要意义。

由于混/并联机器人的闭环性及结构复杂性，传统的刚度分析方法往往侧重于建立机构的全局刚度矩阵，没有揭示每一个弹性元件对机器人整体刚度性能的影响程度，从而无法建立对机器人刚度性能进行调控的有效方法，很难在工程实际中对机器人刚度性能提升建立针对性的有效措施。

发明内容

本发明的目的就是要克服以往传统刚度分析只侧重于对机器人整体刚度性能进行评价，忽视每一个弹性元件对机器人整体刚度性能贡献进行评价的缺点，提供一种可解耦的刚度性能分析方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：

一种混联机器人刚度模型的解耦方法，建立每一个弹性元件应变能基于末端外部载荷的表达式，其步骤为：

步骤一，建立并联模块支链的约束螺旋系，

以并联模块支链为研究对象，基于螺旋理论建立支链的约束螺旋系W_i；

步骤二，建立支链的应变能，

建立考虑连杆和关节弹性的整个支链的应变能和柔度矩阵

式中，和分别表示分支i的第j个杆件和关节由于弹性变形存储的应变能，C_e,i为分支i由于元件弹性产生的与约束螺旋系对应的紧凑柔度矩阵，U_e,i为分支i的应变能；

步骤三，建立约束螺旋系与末端外部载荷的映射关系，

W_i＝D_piW_p

式中，W_p为机器人末端的外部载荷，D_pi为W_p到W_i的映射矩阵；

步骤四，建立串联模块的应变能

式中，C_ps为串联模块的柔度矩阵，U_s为串联模块的应变能；