CN108339995B - 一种可调角度的机器人末端执行器安装机构及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调角度的机器人末端执行器安装机构及其调整方法。利用可调角度的机器人末端执行器安装机构，针对特定待加工工件，实现机器人操作刚度的优化。其中可调角度的机器人末端执行器安装机构利用转动副的连杆机构，将连接杆的旋转运动转化为连接板的旋转运动，对标角度尺可以准确调整到所需角度，再利用限位孔和锁紧机构进行固定。而可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度

的确定方法是通过结合机器人操作刚度的评价指标和工件中孔实际加工要求，构建了安装机构角度的优化模型，得到可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度

。所述方法有效降低机器人钻削过程中的末端位移，保证良好的加工质量与精度。

Description

一种可调角度的机器人末端执行器安装机构及其调整方法

技术领域

本发明属于机器人动力学研究技术，涉及一种可调角度的机器人末端执行器安装机构及其调整方法。

背景技术

近年来，越来越多的工业机器人钻削系统应用在汽车、航空制造等领域中塑料、铝制零件的加工生产中。相对于传统数控加工机床而言，使用工业机器人进行机械加工，具有成本低、自动化程度高、柔性好、易于集成传感器、外部驱动器等外围设备的优点。尤其在大型复杂不规则零件的加工中，工业机器人切削系统相对于数控机床，其占地面积与可加工工件规格相比明显减小；另外工业机器人能方便地实现切削加工工具在空间的各种位姿，避免刀具与零件复杂结构细节产生干涉。因此近年来，为适应多品种、小批量、现场加工的现代生产要求，通过在工业机器人末端安装电主轴和切削刀具，形成工业机器人切削加工系统，使其具备类似于多轴数控加工机床的切削加工性能，在某些领域替代数控机床进行切削加工，已经成为工业机器人应用新的发展方向之一。

但在实际加工生产中，工业机器人由于刚度较差，在切削过程中，机器人末端受力会发生相对位移，从而导致加工质量较低。在机器人刚度模型中，机器人位姿对于刚度性能影响较大。但是由于机器人钻孔加工是点位加工，在加工不同位置孔时，机器人姿态不需要连续变化；并在钻孔过程中刀轴方向与孔轴线方向需保持一致，机器人姿态也不会发生明显的变化。所以为了提高机器人钻削加工系统的刚度，我们提出一种可调角度的机器人末端执行器安装机构及其调整方法，这对提高机器人钻孔加工精度具有非常重要的意义。

发明内容

本发明目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种可调角度的机器人末端执行器安装机构及其调整方法，通过本可调角度的机器人末端执行器安装机构，能快速准确的调整机器人末端安装机构角度，从而改变机器人操作刚度，实现机器人加工过程中最优刚度性能。安装机构角度的确定通过结合机器人操作刚度的评价指标和工件中孔实际加工要求，构建了安装机构角度的优化模型，最终得到可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度α_best。该方法可以有效降低机器人钻削过程中的末端位移，保证良好的加工质量与精度。

为了达到上述目的，本发明的构思是：利用可调角度的机器人末端执行器安装机构，针对特定待加工工件，实现机器人操作刚度的优化。其中可调角度的机器人末端执行器安装机构利用转动副的连杆机构，将连杆机构的旋转运动转化为两个连接板的旋转运动，对标角度尺可以准确快速的调整到所需角度，再利用限位孔和锁紧机构进行固定。而可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度α_best的确定方法是在末端装有执行器的工业机器人和装夹在工作台上的工件组成的加工系统下，从工件角点出发，将工件中孔轴线方向一致且圆心位置相近的孔分为一类。然后结合机器人操作刚度的评价指标和每类孔实际加工要求，构建目标优化函数。通过在机器人末端执行器安装机构角度α为0°～90°范围内对目标函数求解，得到可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度α_best。

根据上述构思，本发明采用以下技术方案：

一种可调角度的机器人末端执行器安装机构，包括末端执行器端移动导轨、末端执行器连接板、连接套筒、转轴、导轨限位孔、叉形连接杆、机器人连接板、弹簧卡珠、锁紧螺母、角度尺、机器人端移动导轨、连接螺栓。所述机器人连接板与末端执行器连接板分别通过连接螺栓与工业机器人和连接套筒连接，连接套筒与末端执行器通过螺栓连接。所述机器人连接板与末端执行器连接板通过转轴连接形成旋转副；所述机器人端移动导轨、末端执行器端移动导轨由移动导轨和限位孔组成；所述叉形连接杆与移动导轨之间通过弹簧卡珠和锁紧螺母进行完全固定，弹簧卡珠卡在移动导轨限位孔进行限位，锁紧螺母进行周向固定；通过改变移动叉形连接杆在移动导轨上的位置，对标角度尺上的示数，从而实现机器人末端执行器安装机构角度α调整。

通过优化钻削机器人操作刚度，确定上述可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度方法，包括以下步骤：

步骤1：从工件角点出发，在工件坐标系O_W1X_W1Y_W1平面内，以Q×Q大小的矩形区域将工件表面划分为S个区域。工件上孔圆心投影到工件坐标系O_W1X_W1Y_W1平面，将孔的轴线方向相同且圆心位于同一矩形区域内及边界上的孔归为一类，从而将工件中全部孔分为N类孔。

步骤2：将工业机器人的力-线位移刚度矩阵K_fd的最小奇异值K_m作为机器人操作刚度的评价指标，计算每类孔的操作刚度评价指标：

K_mi＝min{svd(K_fd)} (1)

式中，svd(K_fd)为矩阵K_fd的奇异值分解矩阵，奇异值分解矩阵是由多个奇异值元素组成，min{svd(K_fd)}是取其中最小的奇异值元素。

步骤3：计算每类孔的优化权重ω_i：

式中，M为工件内总孔数，C为所有孔位置度平均期望值，m_i为第i类孔的个数，c_i为第i类孔的位置度平均期望值。

步骤4：构建机器人末端执行器安装机构角度α的优化函数K_f(α)

步骤5：在机器人末端执行器安装机构角度α为0°～90°范围内，按照1°增量历遍取值，计算相应的K_f(α)，得到K_f(α)随安装机构角度α变化的曲线图。

步骤6：将曲线图中纵坐标最低点对应的角度作为可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度α_best。

上述步骤2中计算每类孔的操作刚度评价指标方法如下：

a)计算机器人标准D-H连杆变换矩阵：

式中，为标准D-H连杆变换矩阵，

为工具坐标系与世界坐标系变换矩阵，

为工具坐标系与法兰坐标系的变换矩阵，其中R为坐标系旋转变换矩阵，P_BORG为坐标系平移变换矩阵。此外，

在机器人标定完工具坐标系后可直接从示教器中读取。

b)利用机器人标准D-H连杆变换矩阵，通过机器人逆运动学求解得到关节角q

c)求解操作刚度评价指标K_mi：

K_mi＝min{svd(K_fd)} (7)

式中，K_q为机器人关节刚度矩阵，J(q)为机器人运动雅克比矩阵，K_fd为操作刚度矩阵中的力-线位移刚度矩阵。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：提供一用于优化钻削机器人操作刚度的末端执行器安装机构及调整方法。其中可调节角度的机器人末端安装机构利用转动副的连杆机构，将连杆机构的旋转运动转化为两个连接板的旋转运动，连杆机构使得调节方式更加灵活且较易获得较高的精度。机构中移动导轨的限位孔、弹簧卡珠与锁紧螺母构成的锁紧机构可以安全可靠地固定连接板，且通过对标角度尺的角度刻度可以准确确定安装机构的角度。

而可调角度机器人末端执行器安装机构角度α的优化方法是通过考虑工件内所有孔的加工要求，将各类孔加工时机器人操作刚度矩阵的最小奇异值作为多个优化目标，通过计算得到可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度α_best。较为方便的获得整个加工过程中最佳的机器人操作刚度，以此保障所有孔的加工精度，具有很强的实用性和可操作性。

附图说明

图1为本发明的钻削机器人加工系统原理图。

图2为本发明的可调节角度的机器人末端执行器安装机构图。

图3为本发明的划分区域大小Q设为100mm时工件孔分类结果图。

图4为本发明的可调角度的机器人末端执行器安装机构与末端执行器连接

示意图。

图5为本发明的具体工件的机器人末端执行器安装机构角度优化结果图。

附图中的标号分别为：1、工业机器人，2、机器人末端执行器安装机构，3、连接套筒、4、末端执行器，5、工作台，6、工件，7、夹具，8、转轴，9、末端执行器端移动导轨，10、末端执行器连接板，11、导轨限位孔，12、叉形连接杆，13、机器人连接板，14、弹簧卡珠，15、锁紧螺母，16、角度尺，17、机器人端移动导轨，18、连接螺栓。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

如图1所示，钻削机器人加工系统由工业机器人1、机器人末端安装机构2、连接套筒3、末端执行器4、工作台5、工件6、夹具7组成。

如图2所示，本可调节角度的机器人末端执行器安装机构，包括连接套筒3、转轴8、末端执行器端移动导轨9、末端执行器连接板10、导轨限位孔11、叉形连接杆12、机器人连接板13、弹簧卡珠14、锁紧螺母15、角度尺16、机器人端移动导轨17、连接螺栓18。所述机器人连接板13与末端执行器连接板10分别通过连接螺栓18与工业机器人1和连接套筒3连接，连接套筒3与末端执行器4通过螺栓连接。两连接板间通过转轴8连接形成旋转副，叉形连接杆12的旋转运动转化为两个连接板的旋转运动；所述机器人端移动导轨17、末端执行器端移动导轨9由移动导轨和导轨限位孔11组成；所述叉形连接杆12与末端执行器端移动导轨9和机器人端移动导轨17之间通过弹簧卡珠14和锁紧螺母15进行完全固定，弹簧卡珠14卡在导轨限位孔11进行限位，锁紧螺母15进行周向固定；通过改变叉形连接杆12在相应移动导轨上的位置，读取角度尺16上的示数，来判断叉形连接杆12是否移动到位，当角度尺16读数为优化得到的α_best时，移动到位，扭紧锁紧螺母15固定角度，从而实现钻削机器人末端安装机构角度调整。

实施例二：

本可调节角度的机器人末端安装机构的调整方法如下：

(1)第一次安装时，首先将机器人连接板13通过连接螺栓18与工业机器人1固定；(2)当需要调整安装机构角度时，拧松锁紧螺母15并将弹簧卡珠14从末端执行器端移动导轨9和机器人端移动导轨17中弹出；此时缓慢移动叉形连接杆12位置并将角度尺16读数对准到所需角度值α_best，此时机器人连接板13和末端执行器连接板10通过转轴8旋转形成所需角度大小的夹角；(3)保持角度尺16读数不变的情况下，将弹簧卡珠14分别嵌入到机器人端移动导轨17和末端执行器端移动导轨9的限位孔11中，并将锁紧螺母15拧紧。至此，可调节角度的机器人末端安装机构调整完成。

实施例三：

通过优化钻机器人操作刚度，确定可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度α_best的步骤如下：

第一步：如图3所示，工件6尺寸为300mm×300mm×50mm，在工件6的工件坐标系{O_W1X_W1Y_W1Z_W1}与工业机器人1的基坐标系{O_WX_WY_WZ_W}相对位置固定的情况下(X_W＝500mm，Y_W＝500mm，Z_W＝0mm)，选取Q＝100mm的情况下，从工件6角点出发，在工件坐标系O_W1X_W1Y_W1平面内，以100×100mm矩形区域将工件表面进行划分为序号1-9的九个区域。将工件中孔圆心投影到工件坐标系O_W1X_W1Y_W1平面内，将孔轴线方向一致且圆心位于同一矩形区域内及边界上的孔归为一类，最终工件6上所有孔被分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV四类。

第二步：如图4所示，建立机器人法兰坐标系{O₆X₆Y₆Z₆}和机器人刀具坐标系{O_toolX_toolY_toolZ_tool}，将刀具坐标系下每类孔的轴线方向、位置信息带入到公式(4)～(5)中，求得位姿变换矩阵，再进行机器人逆运动学运算得到如下表所示相应关节角q。将关节角q带入到公式(6)～(7)中计算得到如下表所示每类孔的操作刚度矩阵的评价指标K_mi。

表1

第三步：将工件内总孔数、所有孔位置度平均期望值、每类孔的个数及每类孔的位置度平均期望值带入到公式(2)中，计算出下表所示的每类孔的优化权重ω_i。

表2

第四步：将第二步与第三步计算得到每类孔刚度矩阵最小奇异值K_mi和优化权重ω_i带入到公式(3)中，构建机器人末端执行器安装机构角度α的优化函数K_f(α)。

第五步：在机器人末端执行器安装机构角度α为0°～90°范围内，按照1°为增量历遍取值，计算K_f(α)，得到如图5所示的K_f(α)随安装机构角度α变化的曲线图。

第六步：观察曲线图，选择曲线上纵坐标最低点对应的角度作为可调角度机器人末端执行器安装机构的最优角度α_best。如图5所示，曲线纵坐标在角度为45°时取得最小值，即α_best＝45°。

所述的一种可调角度的机器人末端执行器安装机构及其调整方法，有效增强了钻削机器人系统的刚度性能，从而保证了加工零件质量与尺寸精度。在实际应用中，本方法可以拓展至机器人铣削、磨削等系统的刚度性能优化中。

Claims (4)

1.一种可调角度的机器人末端执行器安装机构(2)，其特征在于：包括连接套筒(3)、转轴(8)、末端执行器端移动导轨(9)、末端执行器连接板(10)、导轨限位孔(11)、叉形连接杆(12)、机器人连接板(13)、弹簧卡珠(14)、锁紧螺母(15)、角度尺(16)、机器人端移动导轨(17)、连接螺栓(18)，所述机器人连接板(13)与末端执行器连接板(10)分别通过连接螺栓(18)与一个工业机器人(1)和连接套筒(3)连接，连接套筒(3)与一个末端执行器(4)通过螺栓连接，所述机器人连接板(13)与末端执行器连接板(10)通过转轴(8)连接形成旋转副；所述机器人端移动导轨(17)和末端执行器端移动导轨(9)分别是一根均布导轨限位孔(11)的移动导轨；所述叉形连接杆(12)与移动导轨之间通过弹簧卡珠(14)和锁紧螺母(15)进行完全固定，弹簧卡珠(14)卡在导轨限位孔(11)进行限位，锁紧螺母(15)进行周向固定；通过改变叉形连接杆(12)在移动导轨上的位置，对标角度尺(16)上的示数，从而实现机器人末端执行器安装机构角度α调整。

2.根据权利要求1所述的一种可调角度的机器人末端执行器安装机构的调整方法，其特征在于：利用所述可调角度的机器人末端执行器安装机构(2)，针对特定待加工工件(6)，实现机器人操作刚度的优化，其中可调角度的机器人末端执行器安装机构(2)利用转动副的连杆机构，将所述叉形连接杆(12)的旋转运动转化为两个连接板的旋转运动，对所述角度尺(16)可准确快速的调整到所需角度，再利用导轨限位孔(11)和锁紧螺母(15)进行固定，而可调角度机器人末端执行器安装机构(2)的最优角度α_best的确定方法是在装有末端执行器(4)的工业机器人(1)和装夹在一个工作台(5)上的一个工件(6)组成的加工系统下，从工件(6)角点出发，将工件(6)中孔轴线方向一致且圆心位置相近的孔分为一类，然后结合机器人操作刚度的评价指标和每类孔实际加工要求，构建目标优化函数，通过在机器人末端执行器安装机构(2)角度α为0°～90°范围内对目标函数求解，得到机器人末端执行器安装机构(2)的最优角度α_best。

3.根据权利要求2所述的可调角度的机器人末端执行器安装机构的调整方法，其特征在于：所述最优角度α_best确定方法，包括如下步骤：

步骤1：从工件角点出发，在工件坐标系O_W1X_W1Y_W1平面内，以Q×Q大小的矩形区域将工件表面划分为S个区域，工件上孔圆心投影到工件坐标系O_W1X_W1Y_W1平面，将孔的轴线方向相同且圆心位于同一矩形区域内及边界上的孔归为一类，从而将工件中全部孔分为N类孔；

步骤2：将工业机器人的力-线位移刚度矩阵K_fd的最小奇异值K_m作为机器人操作刚度的评价指标，计算每类孔的操作刚度评价指标：

K_mi＝min{svd(K_fd)} (1)

式中，svd(K_fd)为矩阵K_fd的奇异值分解矩阵，奇异值分解矩阵是由多个奇异值元素组成，min{svd(K_fd)}是取其中最小的奇异值元素；

步骤3：计算第i类孔的优化权重ω_i：

式中，M为工件内总孔数，C为所有孔位置度平均期望值，m_i为第i类孔的个数，c_i为第i类孔的位置度平均期望值；

步骤4：构建机器人末端执行器安装机构角度α的优化函数K_f(α)：

步骤5：在机器人末端执行器安装机构角度α为0°～90°范围内，按照1°增量历遍取值，计算K_f(α)，得到K_f随安装机构角度α变化的曲线图；

步骤6：将曲线图中纵坐标最低点对应的角度作为机器人末端执行器安装机构的最优角度α_best。

4.根据权利要求3所述可调角度的机器人末端执行器安装机构的调整方法，其特征在于：所述步骤2中计算每类孔的操作刚度评价指标方法如下：

a)计算机器人标准D-H连杆变换矩阵：

式中，

为标准D-H连杆变换矩阵，

为工具坐标系与世界坐标系变换矩阵，

为工具坐标系与法兰坐标系的变换矩阵，其中R为坐标系旋转变换矩阵，P_BORG为坐标系平移变换矩阵，此外，

在机器人标定完工具坐标系后可直接从示教器中读取；

b)利用机器人标准D-H连杆变换矩阵

通过机器人逆运动学求解得到关节角q；

c)求解操作刚度评价指标K_mi：

K_mi＝min{svd(K_fd)} (7)

式中，K_q为机器人关节刚度矩阵，J(q)为机器人运动雅克比矩阵，K_fd为操作刚度矩阵中的力-线位移刚度矩阵。

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