一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法，属于工业机器人动态特性分析研究领域。通过提取工业机器人关节的关键接触结构特征，将接触结构假设为具有一定扭转刚度的弹簧结构，建立各关节等效系统模型。根据测量数据基于功率谱密度方法计算三维表面分形参数与表面粗糙度参数。对各接触结构进行受力分析，计算接触结构不同关节输入扭矩对应的各接触压力值。建立并联弹簧的等效扭转刚度模型，通过并联各接触刚度及减速器刚度，计算关节等效扭转刚度。该方法结合分形理论和结构受力分析建立了工业机器人关节刚度模型，通过考考虑接触刚度更为准确的理论估计关节刚度，为机器人末端动态误差补偿分析提供一定的方法基础。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法
本专利技术属于工业机器人动态特性分析研究领域，尤其涉及考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法。
技术介绍
工业机器人关节刚度是影响末端操作精度的关键因素之一，进行关节刚度研究是末端操作误差补偿控制的重要基础。传统的工业机器人关节主要由电机、减速器、同步带及齿轮等零件组成，各零部件间存在多种连接方式。目前，关节刚度分析主要包括三种方法：实验辨识法，有限元分析法(FEM)，和理论建模方法。其中实验辨识又分为静载荷实验法和动载荷实验法：静载实验是根据机器人末端的静态变形测量数据结合外部载荷计算关节刚度的方法；动载荷实验法是通过对机器人末端的动态信号进行测量和处理计算刚度的方法。实验法均要求高精度的测量元件，尤其动载荷实验中测量噪声对刚度的预估精度影响非常大。而实际上机器人的结构设计及连接部分的装配参数与机器人关节刚度直接相关，因此可在设计阶段通过预估机器人关节刚度指导设计和装配，为实现该需求，提出一种关节刚度理论分析方法十分必要。有限元分析方法作为一种理论分析方法，虽能估计一些具有简单关节结构的并联机器人刚度分析，但针对工业机器人复杂的关节模型及约束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法，其特征在于：该方法的实现步骤如下，S1、分析工业机器人关节的结构组成及特点，提取工业机器人关节的关键接触结构特征，将接触结构假设为具有一定扭转刚度的弹簧结构，建立各关节等效系统模型；S2、以接触结构中材料硬度小的材料为对象，根据接触结构的接触面加工方法和加工要求加工1mm×1mm的试验块，并进行表面形貌测量，根据测量数据基于功率谱密度方法计算三维表面分形参数与表面粗糙度参数；S3、对各接触结构进行受力分析，计算接触结构不同关节输入扭矩对应的各接触压力值；S4、基于分形理论建立结合面法向与切向接触刚度模型，代入接触压力值、结合面分形参数D与表面粗糙度参数...

【技术特征摘要】
1.一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法，其特征在于：该方法的实现步骤如下，S1、分析工业机器人关节的结构组成及特点，提取工业机器人关节的关键接触结构特征，将接触结构假设为具有一定扭转刚度的弹簧结构，建立各关节等效系统模型；S2、以接触结构中材料硬度小的材料为对象，根据接触结构的接触面加工方法和加工要求加工1mm×1mm的试验块，并进行表面形貌测量，根据测量数据基于功率谱密度方法计算三维表面分形参数与表面粗糙度参数；S3、对各接触结构进行受力分析，计算接触结构不同关节输入扭矩对应的各接触压力值；S4、基于分形理论建立结合面法向与切向接触刚度模型，代入接触压力值、结合面分形参数D与表面粗糙度参数G，计算各接触结构的法向刚度值与切向刚度值；S5、建立法向刚度、切向刚度与扭转刚度间的转换公式，通过法向刚度与切向刚度值计算接触扭转刚度；S6、建立并联弹簧的等效扭转刚度模型，通过并联各接触刚度及减速器刚度，计算关节等效扭转刚度。2.根据权利要求1所述的一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法，其特征在于：S1建立机器人各关节等效系统将六轴工业机器人各关键接触部分及减速器部分均等效为具有一定扭转刚度的弹簧结构，该六轴工业机器人关节结构中包括键连接、螺栓连接及销连接结构中的接触；除此之外，减速器的扭转刚度是关节整体刚度的重要组成部分之一，在实际六轴工业机器人系统中减速器作为成熟的关键零件，扭转刚度Kred通过产品手册查询确定；S2计算三维表面分形参数与表面粗糙度参数以接触结构中材料硬度小的软材料为对象，根据接触面的加工方法和加工要求加工1mm×1mm的试验块，对粗糙表面形貌进行测量，即不同平面坐标(x,y)下的高度(z)信息；基于功率谱密度方法计算三维表面分形参数D与表面粗糙度参数G；步骤(3)对各接触结构进行受力分析由S1可知该机器人关节中包括键接触、螺栓接触及销连接接触；分别对几种接触结构进行受力分析，键接触：电机与减速器间的键连接结构；当电机与减速器间的传递力矩为T时，假设接触面1受力为F1，接触面2受力为F2，那么针对键结构力平衡方程如下，其中mkey为键的质量，R为连接轴的半径，L,w,h分别表示键的长宽高，h0表示键高出键槽部分的高度；螺栓接触：螺栓连接结构中nbolt表示螺栓个数，M表示螺栓型号，Rbolt表示螺栓公称半径，Fbolt为螺栓预紧力，则结合面总接触压力为F＝nboltFbolt；销连接接触：销连接结构中，R和Rpin分别表示连接轴半径和销半径，N表示销的个数，Fpin为销连接预紧力，且在该连接结构中采用了三个销传递力矩，对每个销接触其接触压力F＝Fpin；S4计算各接触的法向与切向刚度基于M-B分形理论和赫兹理论，得出三维分形法向与切向接触刚度模型如下，

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志峰，许静静，赵永胜，蔡力钢，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11