[发明专利]一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法

说明书

本发明公开了一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法，属于工业机器人动态特性分析研究领域。通过提取工业机器人关节的关键接触结构特征，将接触结构假设为具有一定扭转刚度的弹簧结构，建立各关节等效系统模型。根据测量数据基于功率谱密度方法计算三维表面分形参数与表面粗糙度参数。对各接触结构进行受力分析，计算接触结构不同关节输入扭矩对应的各接触压力值。建立并联弹簧的等效扭转刚度模型，通过并联各接触刚度及减速器刚度，计算关节等效扭转刚度。该方法结合分形理论和结构受力分析建立了工业机器人关节刚度模型，通过考考虑接触刚度更为准确的理论估计关节刚度，为机器人末端动态误差补偿分析提供一定的方法基础。

技术领域

本发明属于工业机器人动态特性分析研究领域，尤其涉及考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法。

背景技术

工业机器人关节刚度是影响末端操作精度的关键因素之一，进行关节刚度研究是末端操作误差补偿控制的重要基础。传统的工业机器人关节主要由电机、减速器、同步带及齿轮等零件组成，各零部件间存在多种连接方式。目前，关节刚度分析主要包括三种方法：实验辨识法，有限元分析法(FEM)，和理论建模方法。其中实验辨识又分为静载荷实验法和动载荷实验法：静载实验是根据机器人末端的静态变形测量数据结合外部载荷计算关节刚度的方法；动载荷实验法是通过对机器人末端的动态信号进行测量和处理计算刚度的方法。实验法均要求高精度的测量元件，尤其动载荷实验中测量噪声对刚度的预估精度影响非常大。而实际上机器人的结构设计及连接部分的装配参数与机器人关节刚度直接相关，因此可在设计阶段通过预估机器人关节刚度指导设计和装配，为实现该需求，提出一种关节刚度理论分析方法十分必要。有限元分析方法作为一种理论分析方法，虽能估计一些具有简单关节结构的并联机器人刚度分析，但针对工业机器人复杂的关节模型及约束条件，其应用受到限制。理论建模方法则是以数学模型表征关节刚度的方法，目前多数学者忽略接触影响通过并联各结构刚度计算关节扭转刚度，具有较大的分析误差。工业机器人系统中常见接触形式包括键连接接触、螺栓连接接触及销连接接触。分形理论是一种发展较完善的接触刚度计算方法，其主要将粗糙表面之间的接触简化为粗糙表面与刚性理想平面的接触，最大特点是，粗糙表面微观形貌特征的表征参数—分形维数D和分形特征长度尺寸参数G具有尺度独立性，而不受仪器分辨率的影响，并与取样长度无关。鉴于以上优点，本专利基于分形理论建立常见连接形式中接触刚度计算模型及刚度并联公式，最终建立考虑接触的工业机器人关节刚度模型。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法。该方法的主要特点是通过引入分形理论建立了常见连接形式中的接触刚度模型，结合结构受力分析与并联刚度转换公式建立了考虑接触的工业机器人关节刚度理论模型，提高了预估精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种考虑接触的工业机器人关节刚度建模方法，该方法的实现步骤如下，

S1、分析工业机器人关节的结构组成及特点，提取工业机器人关节的关键接触结构特征，将接触结构假设为具有一定扭转刚度的弹簧结构，建立各关节等效系统模型。

S2、以接触结构中材料硬度小的材料为对象，根据接触结构的接触面加工方法和加工要求加工1mm×1mm的试验块，并进行表面形貌测量，根据测量数据基于功率谱密度方法计算三维表面分形参数与表面粗糙度参数。

S3、对各接触结构进行受力分析，计算接触结构不同关节输入扭矩对应的各接触压力值。

S4、基于分形理论建立结合面法向与切向接触刚度模型，代入接触压力值、结合面分形参数D与表面粗糙度参数G，计算各接触结构的法向刚度值与切向刚度值。

S5、建立法向刚度、切向刚度与扭转刚度间的转换公式，通过法向刚度与切向刚度值计算接触扭转刚度。

S6、建立并联弹簧的等效扭转刚度模型，通过并联各接触刚度及减速器刚度，计算关节等效扭转刚度。