一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法技术

本发明专利技术提供一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法，解决现有机器人存在刚性差和奇异形位，从而影响零件加工质量和加工精度的问题。首先探究机器人空间运动性能，引入基于雅克比矩阵条件数的机器人灵活性能度量指标对机器人运动性能进行定量分析，接着在机器人刚度模型基础上构建机器人末端整体刚度性能指标表征其本体末端刚度，考虑加工刀具轴，进行刚度空间转换研究，结合加工的工艺特点，提出综合刚度评价系数；然后同时考虑机器人灵活性和刚度，获取机器人本体运动和刚度性能综合较优的工作空间；随后构建考虑加工位姿与刚度增强的机器人姿态优化模型，以实现连续加工过程中考虑姿态平滑的机器人末端刚度增强。中考虑姿态平滑的机器人末端刚度增强。中考虑姿态平滑的机器人末端刚度增强。

【技术实现步骤摘要】
一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法


[0001]本专利技术属于机器人控制
，具体涉及一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法。

技术介绍

[0002]工业机器人具有工作覆盖空间大、可扩展性强、灵活性强、生产效率高的优势，并且成本极具竞争力。国际上一些公司已经实现了机器人磨削系统平台的产业化，成功在一些领域得到有效性验证。然而工业机器人在实际加工过程中仍存在两方面的问题：
[0003]一、工业机器人的刚度远低于机床的刚度，呈现典型的弱刚性。一般来说，6自由度工业机器人的刚度通常小于1N/μm，而数控机床的刚度通常大于50N/μm。当机器人进行连续路径磨削加工时，总是会有加工过程中产生的磨削力作用在末端执行器上，末端负载会使机器人关节发生变形，并且在末端执行器处产生位置偏差，从而影响工件的加工精度。
[0004]二、作为空间串联机构，机器人在其运动空间内存在奇异形位。在奇异点处，机器人关节速度易产生突变，进而末端速度与运动控制精度会降低甚至失控，难以准确保证末端位置，因此同样会产生位置偏移，降低加工精度。r/>[0005]针本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向刚度的机器人加工位姿优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)进行机器人运动学建模，并获得机器人灵活性能度量指标1.1)采用标准DH建模法进行机器人正逆运动学建模；1.2)基于步骤1.1)建立的模型，采用微分变换法求解雅克比矩阵J(q)，再通过雅克比矩阵条件数的倒数量化任意点到机器人奇异形位的距离，得到灵活性能度量指标DI，公式为：为：其中，k(J)为雅克比矩阵的条件数，tr(
·
)代表矩阵的迹，m表示矩阵的行数；J(q)前3行元素具有单位mm，后3行均为无量纲元素；对J(q)进行规范化处理后，有则公式为：则公式为：其中，J
N
为规范雅克比矩阵，I3×3、O3×3分别为3
×
3的单位矩阵和3
×
3的零矩阵；L为特征长度；2)进行机器人刚度建模，获得机器人末端整体刚度性能指标K
total
及机器人磨削综合刚度评价系数K
grinding
；2.1)基于虚功法建立机器人传统刚度矩阵模型，得到笛卡尔刚度矩阵K公式为：K＝J(q)
‑
T
K
θ
J(q)
‑1其中，J(q)为机器人雅克比矩阵，K
θ
为关节刚度矩阵；2.2)对步骤2.1)得到的笛卡尔刚度矩阵K取逆，得到笛卡尔柔度矩阵C，即：其中，C
θ
为机器人的关节柔度矩阵，其为K
θ
的逆矩阵，即：C
θ
＝diag(1/K
θ1
，1/K
θ2
，1/K
θ3
，1/K
θ4
，1/K
θ5
，1/K
θ6
)施加在机器人末端的外力F与其对应的末端位置变化dX间的关系式为：dX＝CF结合实际切削情况，得公式：dX
t
＝C
Ft
F
F
其中，dX
t
为末端形变的线位移矢量；F
F
为施加在末端的力矢量；C
Ft
为力/平移柔度矩阵；在机器人6轴末端施加各个方向的单位作用力，各方向上所能产生的位移量大小的集
合构成柔度椭球，根据柔度椭球可得末端整体刚度性能指标K
total
公式为：2.3)通过齐次变换矩阵，将步骤2.2)得到的末端柔度椭球转换至接触点得到接触点柔度椭球，完成加工刀具轴的机器人刚度空间转换，公式为：其中，e1、e2、e3为三主轴旋转矢量；2.4)在步骤2.3)转换得到的接触点柔度椭球上，综合考虑曲面法矢方向上的刚度与磨削平面内的最弱刚度，即λ
n
和max(λ
r
，λ
t
)；以λ
n
与max(λ
r
，λ

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冰，齐俊德，高历，陶志健，陈宏伟，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：