提高机器人精度的方法及其实现技术研究

Nowadays，robots still play an supporting role in manufacturing field, despite they are used as drilling machining. In principle, though robots have obvious advantages lying in workspace and dexterity, their insufficient stiffness causes that the accuracy of robots does not satisfy the demand of parts machining process, and this disadvantage seriously limits their further application. If the accuracy of robots could be improved, in a permitted range of stiffness it will hopefully realize the high-precision machining under the light-load condition. According to above-mentioned thoughts, this project researches on improvement of driving accuracy of robot’s joint, the high-precision kinematic and stiffness modeling, and the robot high-precision motion control based on end-effector force feedback technology. The theory research and implementation techniques are conducted to further increase the accuracy of robots and promote their application in machining field. The main research contents include: the active anti-backlash and load distribution control method based on dual motor drive, intelligent identification method of joint parameters of robots, theoretical research on robot stiffness modeling and stiffness characteristic of the whole robot, the control technique of machining process based on end-effector force feedback, the accuracy characteristic experiment research on robot’s joints and the whole robot, the design of robot mechanism and control system, etc.

目前，机器人在制造领域的应用仍然是属于辅助性的。虽然在钻削方面得到了一些应用，但总体上机器人的精度还不能满足零件的加工需求，限制了机器人的应用。机器人在原理上存在刚性不足的问题，但是在工作空间和灵活性等方面却有着明显的优势。如能使机器人的精度得以提高，则有望在刚度允许的范围内实现轻载条件下的高精度加工。本项目即是基于上述思路，从提高机器人关节的驱动精度出发，通过建立高精度的运动学和刚度模型，并基于末端力反馈技术实现机器人的高精度运动控制，在理论方法和实现技术两方面开展研究，进一步提高机器人的精度，促进机器人在机械加工领域的应用。项目的主要研究内容包括：基于双电机驱动的主动消隙和载荷分配控制方法研究；机器人机构参数的智能标定辨识方法研究；机器人刚度模型及整机刚度特性理论研究；基于末端力反馈的加工过程控制方法研究；机器人关节及整机的精度特性实验研究；机器人本体机构及控制系统研究与设计等。

本项目全面完成了计划书中拟定的研究内容并取得了预期研究成果。从机器人关节传动系统精度及机器人刚度两个方面开展研究，提出了多种机器人刚度建模方法及多种新型高精度高刚度机器人结构设计。撰写发表SCI论文6篇，EI论文27篇，申请发明专利15项并授权发明专利7项，撰写出版学术专著1部。完成的主要研究内容包括：完成了机器人关节刚度建模及机器人整体刚度特性研究、机器人变刚度关节研究与设计、机器人关节控制方法以及力控制与柔顺控制方法研究、新型高刚度高精度机器人研究与设计、机器人应用系统研究与设计以及实验研究等研究内容。具体研究工作及结果如下：（1）从机器人关节和连杆两方面进一步阐明了机器人误差的构成机制，机器人关节内部传动系统具有较大的减速比和较长的传动链，实际结构复杂，内部齿轮的精度、刚度、以及摩擦和驱动电机的控制精度等对关节的输出精度产生重要影响。（2）提出了一种针对大挠度变形状态的简化刚度建模方法。提出了一种结合有限元分析和材料理论模型的机器人刚度建模和分析方法，与单纯的有限元法相比简化了分析过程提高了计算效率。提出了一种基于量子粒子群优化算法的机器人几何参数辨识方法，该方法可适用于串联和并联两种类型的机器人参数辨识。（3）提出了多种新型机器人核心结构部件设计，包括单自由度变刚度关节、两自由度复合关节、三自由度复合关节、基于磁元件的变刚度关节以及基于气缸的仿生变刚度肘关节等。（4）针对双电机驱动系统提出了基于滑模的主动消隙控制方法以及机器人力位协调控制方法。（5）提出了一种新型四边形结构的高刚度高精度机器人结构设计，该机器人在多个自由度方向上均表现出高刚度性能，可更好地满足搅拌摩擦焊等高刚度高精度机械加工场合的需求，并可改善机器人的承载能力，减少电机功率损耗。（6）设计研制了一套新型7自由度协作机械臂，与现有的协作机械臂相比，新型7自由度机械臂可显著提高负载能力，具有更高的结构刚度及精度性能。

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