基于多级分层误差补偿策略的工业机器人高精度控制方法研究

As a highly flexible multi-joint motion platform, the industrial robot will play a prominent role in the flexible manufacturing of the furture. This research focuses on the positioning error compensation and precision maintenance of industrial robot, which presents a deep fusion of precise measurement principle and the motion features of articulated robot, creatively put forwards a novel idea of constructing mesh array and distributing grid precision control points in the robot joint space, develops a multilevel compensation stategy for the robot positioning errors and aims at improving the robot autonomic performance significantly. The concrete content includes the following three aspects: 1) exploring the generation mechanism and acting law of the robot positioning error, developping targeted multilevel error conpensation method through modeling the geometric errors, modeling the link flexibility and constructing high-precision mesh array in the robot joint space, aiming at promoting the robot accuracy at static state to the level of robot repeatability. 2) exploring the distribution model and transfer rule of the robot positioning error in the joint space, searching for the optimal method for mesh segmentation and improved algorithm for the spatial interpolation. 3) constructing grid precision control points based on multiple geometrical constraints or observation constraint, developing compensation method for the robot positioning shift in the whole volume, aiming to maintain the positioning accuracy at static accuracy level. This research aims to overcome the autonomous positioning accuracy shortage of the industrial robot in the flexible manufacturing, and give theoretical and technological support for the accuracy improvement and high-precision control of the complex multi-joint motion mechanism.

工业机器人作为一种多关节高度柔性运动平台，在未来的柔性制造中具有突出地位。本研究将精密测量理论与关节机器人运动特性深度融合，创新地提出构建关节空间网格阵列及网格精度控制点的新思路，探索多级分层误差补偿新策略，研究面向柔性制造的机器人误差补偿与精度维护方法，提升机器人自主性能，具体内容包括：1）研究定位误差生成机理及作用规律，从几何误差建模、柔性误差建模、构建关节空间高精度网格阵列等多个层面开展针对性补偿方法研究，将静态绝对定位精度提升至重复定位精度水平；2）探索关节空间误差分布模型及传递规律，研究最优的关节空间网格阵列划分方法及改进的空间插值补偿算法；3）基于多重几何约束及观测量约束构建网格精度控制点，研究全空间定位漂移控制方法，保证动态工作下绝对定位精度维持在静态精度水平。旨在克服柔性制造中机器人自主绝对定位精度低的难题，同时为复杂多关节运动机构的精度提升与控制研究提供新方法和技术支持

面向多品种、小批量定制化生产的智能柔性制造系统已成为现代制造技术发展趋势之一，作为一种典型的多关节柔性运动平台，工业机器人将在现代制造向先进智能制造的转型升级过程中扮演“催化剂”的角色。传统制造中工业机器人主要承担着焊接、喷涂等重复性工作，一般采用示教再现的工作方式，较高的重复定位精度即可胜任这类工作。然而由于本体结构及使用环境限制，工业机器人绝对定位精度低、长期稳定性差，尚无法直接适应新型产业环境下各行业的新应用、新需求。本项目针对制造现场环境下工业机器人定位误差补偿与精度维护问题，研究一种可行可靠、创新的分级补偿与在线自维护方法，从关节误差建模、几何误差建模、构建关节空间高精度网格阵列等多个层面开展分级补偿方法研究。.研究内容包含关节空间网格阵列划分及空间插值误差补偿；工作条件下机器人定位漂移补偿方法；高度适应性的工业机器人的误差补偿与精度维护平台。工业机器人作为多关节运动结构，其末端定位误差在其关节空间中呈现非常强的规律性，且前端关节处的误差因素对机器人末端位姿误差的影响比后端关节大，因此以机器人前三个关节构成的关节空间作为网格划分空间。针对外部环境与内部因素中的不可控因素影响，利用工作空间内稳定性好的基准器或者在工作空间外部设置等级高的观测设备，对其中的关节误差、几何误差、非几何误差进行分层级的参数识别及补偿。在维护平台中将测量分辨率高、可多点测量的室内空间精密测量定位系统（wMPS）作为机器人协同维护装备，保证误差补偿过程中的快速、多数据获取。.项目创新性地提出了构建机器人关节空间精密网格阵列及网格阵列精度控制点的新思路，并以此为基础建立多级分层的误差补偿规则。基于多重几何约束或观测量约束构建网格阵列精度控制点，将精密测量设备与工业机器人进行深度融合，有效控制机器人的精度漂移，提升机器人的自主性能，可以将机器人绝对定位精度长期稳定在静态精度水平。