多柔性关节轻型机械臂轴孔柔顺装配技术研究

摘要

智能制造是制造自动化的发展方向，智能机器人是智能制造的重要组成部分。不同于传统的工业机械臂，智能机器人融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当前许多前沿领域的技术。智能机器人技术主要有两个关键点:一是对环境的迅速准确感知;二是实时做出合理响应。而且感知与动作的协调一致是决定机器人智能化高低的核心问题。在机器人应用领域，柔顺装配是一大研究方向。在工件装配过程中常常存在装配对象加工及安装误差，导致自动装配失败。而不论是基于末端六维力传感器反馈控制还是基于机器视觉的控制方案都需要添加外部高精度高速的传感系统，不利于机器人应用的灵活性。 本文以研究一个轻型七关节库卡机器人的性能及实际应用出发，利用机器人集成的关节力位传感系统与阻抗控制器，实现了轴孔柔顺装配过程。实现柔顺装配的核心问题是力控制，要求机器人对于环境约束能主动响应或被动适应。本文具体地提出并实现了基于力反馈定量补偿寻孔法和基于机器人阻抗模式的寻孔方法的装配方案，围绕轻型机械臂轴孔柔顺装配技术展开研究，论文的主要研究内容包括: (1)建立了机器人轴孔装配过程的力学模型，分别对轴孔装配的寻孔和入孔阶段的模型进行了具体分析，研究了装配过程中机器人末端受力与轴孔相对位置的关系，并用MATLAB对假定初始偏差的轴孔被动柔顺过程进行了初步的仿真分析。 (2)根据柔性机器人特性及柔顺装配理论提出了两种具体的寻孔方法:力反馈-定量补偿法和机器人柔顺模式法，并设计了基于这两种寻孔方法的柔顺装配方案，对装配过程的近孔和入孔阶段提出了具体的实现方案。 (3)根据生产实际要求，设计并加工实验中所用的轴孔零件，将轴安装在机器人末端作为被控对象，搭建了实验环境。编写Java应用程序，并在机器人系统中离线执行，使机器人实现轴孔自动柔顺装配作业，验证本文提出的装配方案。 (4)采集了装配全过程中的关键数据，对装配过程中机器人末端的位置与力信息用MATLAB进行分析，深入分析轴孔柔顺装配各个阶段中，机器人末端受力与位置的关系，并验证提出的寻孔方法和入孔方法的有效性。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1本文研究的目的及意义

1．2工业七轴柔性多关节机器人发展现状

1．3轴孔柔顺装配国内外研究现状

1．4本文研究的主要内容

第2章库卡机器人平台

2．1机器人结构本体

2．1．1机器人参数

2．1．2机器人特性

2．1．3机器人改进型DH模型

2．1．4七自由度机器人运动学分析

2．2机器人控制系统

2．2．1库卡独立控制柜和操作面板

2．2．2集成开发环境Sunrise Workbench

2．2．3柔顺控制方法

2．3本章小节

第3章轴孔装配模型分析

3．2轴孔装配过程分析

3．2．1轴孔装配误差分析

3．2．2寻孔阶段力学分析

3．3插孔阶段模型分析

3．3．1柔顺装配模型

3．3．2插孔过程力学分析

3．3．3卡阻及楔紧现象

3．3．4插孔作业仿真分析

3．4本章小节

第4章柔顺装配应用设计

4．1总体方案设计

4．1．1力反馈寻孔法

4．1．2主动柔顺法

4．2应用程序设计

4．2．1整体装配流程

4．2．2应用程序编写

4．3同步并执行

4．3．1系统连接与配置

4．3．2应用数据

4．3．3应用同步

4．4本章小节

第5章柔顺装配实验分析

5．1．1力反馈寻孔装配

5．1．2主动柔顺寻孔法装配

5．1．3力伺服插孔刚度实验

5．2实验数据分析

5．2．1力反馈寻孔法装配

5．2．2主动柔顺寻孔法装配

5．2．3力伺服插孔刚度实验

5．3实验结论

5．4本章小节

6．1应用研究总结

6．2应用研究展望

参考文献

致谢

附录