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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (8): 1457-1465    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.08.002
机械工程     
压脚压紧力作用下的机器人变形预测和补偿
郭英杰(),顾钒,董辉跃*(),汪海晋
浙江大学 机械工程学院 浙江省先进制造技术重点研究实验室，浙江 杭州 310027
Prediction and compensation of robot deformation under pressure force of pressure foot
Ying-jie GUO(),Fan GU,Hui-yue DONG*(),Hai-jin WANG
Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology of Zhejiang Province, School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
 全文: PDF(1272 KB)   HTML
摘要：

针对工业机器人在压脚压紧力作用下由于结构变形所引起的压脚沿工件表面滑移的问题，提出压脚约束下的机器人刚度模型，并基于该模型对机器人变形进行预测和补偿，以提高机器人制孔的定位精度. 基于改进的Denavit-Hartenberg方法建立机器人运动学模型；在此基础上，通过研究机器人末端平移变形与压脚压紧力之间的相互耦合关系，建立压脚约束下的机器人刚度模型，通过基于L-M算法的关节刚度辨识实验获得机器人6个关节刚度的具体数值；应用该刚度模型预测一定压脚压紧力作用下不同孔位的机器人末端平移变形，并对理论孔位信息进行离线补偿. 试验结果表明，在采用上述方法补偿机器人滑移变形后，机器人制孔的平均位置误差由原先的0.22 mm降低到0.05 mm，满足机器人自动化制孔定位精度要求.
关键词： 工业机器人;  刚度模型;  压脚;  关节刚度辨识;  误差补偿    
Abstract:

The industrial robot deforms under the pressure force of the pressure foot, resulting that the pressure foot slides on the workpiece surface. A robot stiffness model under the constraint of pressure foot was proposed, and the robot deformation was predicted and compensated with the model, in order to solve the above problem and improve robot positioning accuracy. The kinematics model of robot was established based on the modified Denavit-Hartenberg method. On this basis, the coupling relationship between the translational deformation of the robot end and the pressure force of the pressure foot was studied, the robot stiffness model under the constraint of pressure foot was established, and the numerical values of six joint stiffness of the robot were obtained through the joint stiffness identification experiment based on the L-M algorithm. The stiffness model was used to predict the translational deformation of the robot end at different hole positions under certain pressure force, and the theoretical hole positions were compensated off-line. Experimental results show that the average position error of the robot decreases from 0.22 mm to 0.05 mm in robotic drilling with the proposed compensation method, satisfying the requirement of positioning accuracy.
Key words: industrial robot    stiffness model    pressure foot    joint stiffness identification    error compensation
收稿日期: 2019-08-28 出版日期: 2020-08-28
CLC:  TP 242.2  
基金资助: 国家自然科学基金青年基金资助项目（51805476）；国家自然科学基金资助项目（91748204）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2020QN81007，2020QN81006）
通讯作者: 董辉跃     E-mail: zju_gyj@zju.edu.cn;donghuiyue@zju.edu.cn
作者简介: 郭英杰（1988—），男，助理研究员，从事机器人加工技术研究. orcid.org/0000-0002-3135-8000. E-mail： zju_gyj@zju.edu.cn
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郭英杰
顾钒
董辉跃
汪海晋

引用本文:

郭英杰,顾钒,董辉跃,汪海晋. 压脚压紧力作用下的机器人变形预测和补偿[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(8): 1457-1465.

Ying-jie GUO,Fan GU,Hui-yue DONG,Hai-jin WANG. Prediction and compensation of robot deformation under pressure force of pressure foot. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(8): 1457-1465.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.08.002    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I8/1457

i ai?1 / mm αi?1/(°) di / mm θi/(°)
1 0 0 1045 0
2 500 90 0 90
3 1300 0 0 0
4 ?55 90 1025 0
5 0 ?90 0 0
6 0 90 290 ?180
表 1  KUKA KR600机器人MOD_DH参数表
图 1  KUKA KR600机器人连杆坐标系
图 2  Matlab仿真机器人MOD_DH模型
图 3  压脚压紧力示意图
图 4  滑移及其滑动摩擦力示意图
图 5  L-M算法流程图
图 6  关节刚度辨识实验系统
位姿 θ1 /（°） θ2 /（°） θ3 /（°） θ4 /（°） θ5 /（°） θ6 /（°）
1 0.64 119.15 ?34.44 68.03 0.92 119.85
2 0.45 118.01 ?35.21 34.76 1.42 152.13
3 0.38 118.90 ?34.98 18.30 1.90 169.56
4 0.25 119.65 ?33.11 69.97 0.41 125.88
5 2.10 119.43 ?32.76 121.23 3.04 65.74
表 2  5种不同的机器人位姿
P / MPa F0 / N P / MPa F0 / N
0.2 798.4 0.5 1996.8
0.3 1181.6 0.6 2325.0
0.4 1608.6 ? ?
表 3  5种不同的压脚压紧力
图 7  滑移补偿过程原理图
组别 位姿 实际滑移/mm 理论滑移/mm
θ1/（°） θ2/（°） θ3/（°） θ4/（°） θ5/（°） θ6/（°）
1 ?51.18 85.00 ?7.05 ?85.00 49.95 ?99.25 0.24 0.28
2 ?49.36 86.27 ?14.49 ?77.03 49.40 ?102.94 0.20 0.24
3 ?47.69 86.15 ?21.44 ?67.37 50.83 ?101.28 0.19 0.21
4 ?45.80 83.41 ?2.40 ?92.21 53.61 ?95.40 0.23 0.25
5 ?43.80 87.20 ?16.84 ?67.88 51.61 ?121.12 0.20 0.22
6 ?42.21 94.21 ?9.60 ?85.02 42.88 ?99.00 0.23 0.24
表 4  机器人6组位姿下末端滑移变形
图 8  压脚滑移补偿实验系统
图 9  机器人不同位姿下末端滑移变形
组别 （x0，y0，z0）/mm （x1，y1，z1）/mm [（x1?x0）2+（y1? y0）2]1/2/mm
1 （1294.89，?1256.59，2052.25） （1294.92，?1256.54，2052.25） 0.06
2 （1293.29，?1177.33，1957.45） （1293.30，?1177.31，1957.45） 0.02
3 （1293.18，?1112.40，1854.43） （1293.13，?1112.39，1854.43） 0.05
4 （1437.22，?1143.03，2086.54） （1437.18，?1143.04，2086.54） 0.04
5 （1380.01，?1026.21，1972.66） （1379.98，?1026.25，1972.67） 0.05
6 （1342.29，?952.12，2187.55） （1342.22，?952.09，2187.55） 0.08
表 5  补偿后的机器人位置误差
图 10  补偿前、后的位置误差
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