基于刚度模型的机器人误差建模及标定方法研究

Aiming at the improvement of positioning accuracy of robots, a stiffness model that can be online calculated will be studied, and then a new calibration method will be proposed with the stiffness model incorporated. Based on the conception of stiffness reconfiguration, the stiffness model of a robot will be divided into a series of stiffness modules. Every stiffness module can be expressed by a full stiffness matrix with complete six dimensions in space, be established by both analytic and simulating methods simultaneously, and form an elementary stiffness unit. Considering the stiffness of connections between modules and the impacts of the module deadweights and the motion state of the robot, the coupling mechanism of the error sources will be studied. The stiffness model of an overall robot body, which incorporates the above error sources, will be obtained by assembly the elementary stiffness units in sequence. Subsequently, an error model that contains both geometry errors and elastic deformation errors can be derived by introducing the stiffness model, and then a decoupling solving algorithm of the error model will be proposed to improve the calibrating accuracy. A series of comparisons of simulations and experiments will be carried out, and an experimental device will be designed to verify the validity and effectiveness of the proposed model.

为提高机器人的定位精度，研究建立可在线计算的机器人刚度模型，并把刚度模型融入到机器人误差模型中，开展机器人的标定方法研究。基于“刚度重构”的思想，把机器人的整机刚度拆分为一系列模块的刚度，通过解析和仿真相结合的手段建立每个模块的在空间六个自由度方向具有完整信息的刚度矩阵，形成机器人刚度模型的基本刚度单元。考虑连接刚度、机器人自重及机器人运动过程对机器人刚度的影响，并研究各种误差因素之间的耦合作用机理，进而通过组装运动链上所有的基本刚度单元的方式得到整机的糅合各种误差因素的刚度模型。将刚度模型引入到机器人误差模型中，得到既包含几何参数误差项又包含弹性变形误差项的机器人末端误差模型，并研究误差解耦的标定算法，提高标定精度。对不同刚度的机器人、不同建模方法等开展对比仿真和实验研究，研究设计机器人刚度建模及标定方法验证的实验装置，验证方法的正确性和有效性。

协作机器人的研发和应用已经成当前的热点之一，该类型机器人的柔性较大从而会具有较大的弹性变形，这会降低机器人的定位精度，并在标定时难以对几何参数误差进行精确辨识。基于“刚度重构”的思想，把机器人的整机刚度拆分为一系列模块的刚度，通过解析和仿真相结合的手段建立每个模块的在空间六个自由度方向具有完整信息的刚度矩阵，形成机器人刚度模型的基本刚度单元。考虑连接刚度、机器人自重及机器人运动过程对机器人刚度的影响，并研究各种误差因素之间的耦合作用机理，进而通过组装运动链上所有的基本刚度单元的方式得到整机的糅合各种误差因素的刚度模型。将刚度模型引入到机器人误差模型中，得到既包含几何参数误差项又包含弹性变形误差项的机器人末端误差模型，并研究误差解耦的标定算法，提高标定精度。研制一种协作机器人样机，并开展刚度建模和标定算法的验证研究。仿真和实验结果表明，研究的刚度建模方法和标定方法正确有效，能够实现机器人刚度的精准建模和几何参数误差的高精度辨识。本研究成果未来可实现机械臂作业过程中弹性变形的实时建模与在线补偿，提高机器人的定位精度，进而大幅提高机器人的作业性能。