混联机器人几何精度设计及运动学标定基础理论

5-DOF hybrid parallel kinematic machines (PKM) featured by a 1T2R parallel mechanism and A/C rotary head have the potentials of high speed, dynamic response and flexibility, and they thereby are particularly suited for on-site machining and other manipulations of large structural components. Geometric accuracy is one of the most important performance indices of these devices, which, however, is difficult to be achieved at machine tool level. Drawing mainly on screw theory and interval analysis, this proposal intends to develop a package for geometric error modeling and optimal tolerance design by considering the positioning-dependent geometric errors. Then, a method for kinematic calibration will be studied using the error datum measured by both external and internal sensors. An embedded module for on-line error compensation will be developed and comprehensive tests will be carried out on a prototype machine using RTCP and standard workpiece cut. The outcomes will be useful in the development of novel 5-DOF hybrid PKMs having the accuracy at machine tool level.

由1T2R位置型并联机构与A/C双摆头组成的5自由度混联机器人可作为一种高速、高动特性、高柔性的加工装备，在大型构件现场加工方面具有独特优势，几何精度是这类装备的重要性能指标，目前很难达到中等精度数控机床的技术水平。本项目以这类机器人为对象，采用旋量理论和区间分析法研究考虑PDGE的误差精细建模与公差优化设计方法，基于内外部检测信息的运动学标定技术，开发嵌入式误差补偿软件系统，并借助RTCP检测和样件试切在一台工程样机上开展实验验证，为开发可达到中等加工精度等级的混联机器人产品奠定重要的理论与技术基础。

本课题针对非结构环境下大型构件现场加工需求，以一种自主设计的新型五自由度过约束混联加工机器人为对象，研究并形成了几何精度设计与运动学标定技术体系。主要研究成果可以概括为以下四点。(1) 混联机器人几何误差建模方法。采用旋量理论建立了串、并联两个子系统的精细化几何误差模型，揭示了影响各自可补偿、不可补偿位姿精度的几何误差源，及其对整个系统末端位姿精度的耦合作用规律。(2) 混联机器人几何精度设计方法。采用基于区间分析的误差灵敏度分析方法，揭示了串、并联两个子系统中的几何误差源对整机全域位姿精度的贡献，以整机精度设计指标为约束条件，并综合考虑制造加工能力，形成了将整机精度指标合理分配到关键零部件公差的分层递阶精度设计策略。(3) 混联机器人运动学标定技术。提出了基于误差参数辨识方法的混联机器人运动学标定技术，并着重解决了误差辨识矩阵复共线性引起的辨识鲁棒性问题，同时提出了一种基于反距离权重法的空间网格差值补偿技术。(4) 误差补偿系统与实验验证。基于IPC+PMAC数控系统开发了嵌入式误差补偿模块，并通过RTCP检测和NAS标准件试切等手段验证了所提技术方案的有效性。运动学标定后，混联机器人在全工作空间范围内的空间体积误差和姿态误差分别达到0.050 mm和0.040º。综上，本课题形成了涵盖精度设计方法、制造精度保障技术、运动学标定技术的五自由度混联机器人的精度保障体系，为推进我国新型工业机器人在航空航天等高端制造领域的工程应用奠定了重要的理论与技术基础。