基于定位精度可靠性的工业机器人公差设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于定位精度可靠性的工业机器人公差设计方法及系统，该方法包括：对工业机器人连杆坐标系的齐次变换矩阵进行微分变换处理，构建定位精度极限状态函数；建立工业机器人公差设计的内外试验表；根据内外试验表和定位精度极限状态函数，计算工业机器人定位精度的失效概率；根据信噪比计算公式和定位精度失效概率对运动学参数公差重要性进行排序并指导工业机器人运动学参数公差方案的设计。通过使用本发明专利技术，能够收紧和放松工业机器人各个部件的运动学参数公差，在相同的生产条件下有效提高工业机器人的定位精度。本发明专利技术作为基于定位精度可靠性的工业机器人公差设计方法及系统，可广泛应用于工业机器人公差设计技术领域。技术领域。技术领域。

【技术实现步骤摘要】
基于定位精度可靠性的工业机器人公差设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及工业机器人公差设计
，尤其涉及基于定位精度可靠性的工业机器人公差设计方法及系统。

技术介绍

[0002]自动化技术的发展促进了工业机器人的高效率、低成本和良好的可重复性，这进一步促进了工业机器人在汽车制造、电子电气、精密装配和航空航天等多个领域的应用，定位精度是工业机器人的关键性能指标，受制造和装配误差、关节间隙、弹性变形和其他不确定因素的影响，其中，工业机器人制造和装配后的运动学参数误差对定位精度的影响最为直接，因此，在设计阶段，有必要通过合理的设计运动学参数公差来确保工业机器人的定位精度，在传统的工业机器人公差设计中，运动学参数的公差主要是由设计人员在考虑公差项目类型、相关尺寸参数和加工工艺水平下，通过类比或查询机械设计手册确定，但是，这种策略严重依赖于个人的主观经验，并进一步给实际评估、优化和运动精度控制带来困难，现有的也有通过系统地改变一些运动学参数变量，来识别那些对工业机器人定位精度有显著影响的误差源，以此指导工业机器人运动学参数公差的收紧或放宽，然而，现有的工业机器人公差试验设计方法大多是确定性分析，即将运动学参数的误差视为固定值，并对工作空间中的某一固定点进行运动精度分析，在实际工程中，误差广泛存在着不确定性，此外不同定位点的可靠性也不相同，因此，现阶段技术难以通过较为合理的公差设计提高机器人的定位精度。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供基于定位精度可靠性的工业机器人公差设计方法及系统，能够根据工业机器人在不同工作点处的定位性能不同控制运动参数误差在一定范围内进而提高工业机器人的定位精度。
[0004]本专利技术所采用的第一技术方案是：基于定位精度可靠性的工业机器人公差设计方法，包括以下步骤：
[0005]对工业机器人连杆坐标系的齐次变换矩阵进行微分变换处理，构建定位精度极限状态函数；
[0006]根据正交试验法和均匀试验法，建立工业机器人公差设计的内外试验表；
[0007]根据工业机器人公差设计的内外试验表和定位精度极限状态函数，计算工业机器人定位精度的失效概率；
[0008]根据信噪比计算公式和定位精度失效概率对运动学参数公差重要性进行排序，以此指导工业机器人运动学参数公差方案的设计。。
[0009]进一步，所述对工业机器人连杆坐标系的齐次变换矩阵进行微分变换处理，构建定位精度极限状态函数这一步骤，其具体包括：
[0010]通过D
‑
H法，建立工业机器人连杆坐标系的齐次变换矩阵：
[0011][0012]上式中，
i
‑1T
i
表示工业机器人连杆i坐标系相对于连杆i
‑
1坐标系的齐次变换矩阵，θ
i
表示连杆i的运动学参数的关节角度，a
i
表示连杆i的运动学参数的连杆长度，d
i
表示连杆i的运动学参数的连杆偏置，α
i
表示连杆i的运动学参数的关节扭角；
[0013]对齐次变换矩阵进行微分变换处理，构建工业机器人的误差模型；
[0014][0015]上式中，Δ＝(d
x
,d
y
,d
z
,δ
x
,δ
y
,δ
z
)
T
表示工业机器人的误差向量，m表示工业机器人的自由度，q
i
＝(Δθ
i
,Δa
i
,Δd
i
,Δα
i
)
T
表示运动学参数误差，i表示工业机器人的第i根连杆，H
i
＝J
i
M
i
表示误差矩阵，其中M
i
和J
i
分别如下所示：
[0016][0017][0018]上式中，n
i
＝(n
ix
n
iy
n
iz
)
T
、s
i
＝(s
ix
s
iy
s
iz
)
T
、a
i
＝(a
ix
a
iy
a
iz
)
T
和p
i
＝(p
ix
p
iy
p
iz
)
T
分别表示工业机器人末端在连杆i坐标系中的法向向量、方向向量、接近向量和位置向量；
[0019]根据工业机器人的误差模型，建立定位精度极限状态函数：
[0020]G(W)＝r2‑
E(W)
[0021]上式中，G(W)表示定位精度极限状态函数，r表示定位误差允许值，W表示由运动学参数误差组成的随机变量，E(W)表示实际位置与目标位置间的定位误差，其中E(W)的表达式如下所示：
[0022]E(W)＝[d
x
(W)]2+[d
y
(W)]2+[d
z
(W)]2[0023]上式中，d
x
(W)、d
y
(W)、d
z
(W)分别表示工业机器人末端在x、y、z轴方向上的位置误差函数。
[0024]进一步，所述根据工业机器人公差设计的内外试验表和定位精度极限状态函数，计算工业机器人定位精度的失效概率这一步骤，其具体包括：
[0025]根据工业机器人公差设计的内外试验表，确定工业机器人位置误差的协方差矩阵：
[0026][0027]上式中，分别表示工业机器人末端在x、y、z轴方向上位置误差的方差，Cov(d
x
,d
y
)表示x、y轴方向上位置误差的协方差，Cov(d
x
,d
z
)表示x、z轴方向上位置误差的协方差，Cov(d
y
,d
z
)表示y、z轴方向上位置误差的协方差；
[0028]根据位置误差的协方差矩阵，建立工业机器人位置误差的累积量生成函数：
[0029][0030]上式中，K
E
(s)表示累积量生成函数，λ1、λ2和λ3表示矩阵C
d
的特征值。
[0031]根据位置误差的累积量生成函数和鞍点近似理论，计算工业机器人定位精度的失效概率：
[0032][0033]上式中，p
f
表示工业机器人定位精度的失效概率，Φ(
·
)表示标准正态分布的累积分布函数，φ(
·
)表示标准正态分布的概率密度函数，v、w表示鞍点近似系数，其中
[0034]v＝sgn(s
t
){2[s
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于定位精度可靠性的工业机器人公差设计方法，其特征在于，包括以下步骤：对工业机器人连杆坐标系的齐次变换矩阵进行微分变换处理，构建定位精度极限状态函数；根据正交试验法和均匀试验法，建立工业机器人公差设计的内外试验表；根据工业机器人公差设计的内外试验表和定位精度极限状态函数，计算工业机器人定位精度的失效概率；根据信噪比计算公式和定位精度失效概率对运动学参数公差重要性进行排序，实现指导工业机器人运动学参数公差方案的设计。2.根据权利要求1所述基于定位精度可靠性的工业机器人公差设计方法，其特征在于，所述对工业机器人连杆坐标系的齐次变换矩阵进行微分变换处理，构建定位精度极限状态函数这一步骤，其具体包括：通过D
‑
H法，建立工业机器人连杆坐标系的齐次变换矩阵：上式中，
i
‑1T
i
表示工业机器人连杆i坐标系相对于连杆i
‑
1坐标系的齐次变换矩阵，θ
i
表示连杆i的运动学参数的关节角度，a
i
表示连杆i的运动学参数的连杆长度，d
i
表示连杆i的运动学参数的连杆偏置，α
i
表示连杆i的运动学参数的关节扭角；对齐次变换矩阵进行微分变换处理，构建工业机器人的误差模型，其表达式具体如下所示：上式中，Δ＝(d
x
,d
y
,d
z
,δ
x
,δ
y
,δ
z
)
T
表示工业机器人的误差向量，m表示工业机器人的自由度，q
i
＝(Δθ
i
,Δa
i
,Δd
i
,Δα
i
)
T
表示运动学参数误差，i表示工业机器人的第i根连杆，H
i
＝J
i
M
i
表示误差矩阵，其中M
i
和J
i
分别如下所示：分别如下所示：上式中，n
i
＝(n
ix
n
iy
n
iz
)
T
、s
i
＝(s
ix
s
iy
s
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)
T
、a
i
＝(a
ix
a
iy
a
iz
)
T
和p
i
＝(p
ix
p
iy
p
iz
)
T
分别表示
工业机器人末端在连杆i坐标系中的法向向量、方向向量、接近向量和位置向量；根据工业机器人的误差模型，建立定位精度极限状态函数：G(W)＝r2‑
E(W)上式中，G(W)表示定位精度极限状态函数，r表示定位误差允许值，W表示由运动学参数误差组成的随机变量，E*W)表示实际位置与目...

【专利技术属性】
技术研发人员：李贺，黄承赓，彭卫文，古博，韩瑜，欧阳孔雷，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：