Fundamental Research | 雷亚国：柔性关节工业机器人的定位偏差估计

Fundamental Research 2022-12-31

Fundamental Research 2022年第2卷第3期封面

柔性关节工业机器人的定位偏差估计

关键词：工业机器人，定位偏差估计，运动学，正动力学，旋量理论

工业机器人凭借工作空间大、功能多样化和灵活度高等诸多优势，在汽车工业、3C电子、机加工等领域得到了广泛应用。在机加工领域应用的工业机器人，通常需要承受时变的重载激励。为了保证工业机器人在时变重载激励下实现高精度的轨迹跟踪，必须解决工业机器人部件形变所引起的末端定位偏差。而工业机器人一般仅在电机端配置了编码器和电流传感器，只能测量到工业机器人关节电机的转角和力矩信息，无法直接测量到部件的形变量。在无附加传感器的情况下，最常用的解决方案是利用工业机器人的物理模型和电机的转角和力矩测量值来估计部件形变所引起的末端定位偏差。

考虑到工业机器人连杆的刚度远大于关节的扭转刚度，本研究将工业机器人连杆视为刚体，将关节等效为扭转刚度-阻尼模型，并利用李群和李代数构建了柔性关节工业机器人的高阶运动学与动力学递归模型。基于构建的递归模型，提出了两种工业机器人末端定位偏差估计算法：隐式数值积分算法和数值迭代算法（图1）。在仅能获取到电机转角的情况下，可以采用提出的隐式数值积分算法估计机器人末端的定位偏差，但该算法受时间步长和初始值的影响较大。时间步长越小该算法得到的数值解越准确，但该数值解的振荡行为也越剧烈。当能够同时获取到电机的转角和力矩信号时，可以采用提出的数值迭代算法估计工业机器人末端的定位偏差，该方法利用系统平衡条件求解工业机器人的动力学方程，有效避免了数值积分算法中数值解的振荡问题。

为了验证提出方法的稳定性和准确性，以应用于搅拌摩擦焊的六自由度串联工业机器人为例，在不同负载条件和不同时间步长下进行了仿真测试。仿真结果表明，提出的两种算法能够准确估计不同负载条件下柔性关节工业机器人的定位偏差，且提出的数值迭代算法不受时间步长的影响。

图1. 工业机器人末端的定位偏差估计。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第3期发表的文章“H. Liu, Y. Lei, X. Yang, et al., Deflection estimation of industrial robots with flexible joints, Fundamental Research 2(3)(2022) 447-455”。

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主要作者简介

雷亚国 西安交通大学教授，国家杰出青年科学基金获得者、国家高层次人才特殊支持计划入选者、科睿唯安全球高被引科学家、IET Fellow、ISEAM Fellow。主要从事大数据智能诊断与寿命预测、健康监测与智能运维等研究工作。获国家技术发明二等奖、中国青年科技奖、教育部和陕西省自然科学一等奖各一项。

刘欢 西安交通大学机械工程学院在读博士研究生。主要研究方向包括工业机器人系统建模、参数辨识和状态监测。

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