摘 要

随着中国综合国力的愈发强大，制造业的迅速发展，工业机器人迎来了新的机遇与新的挑战。工业机器人的定位精度作为重要指标影响着完成工艺的质量，具有高精度的工业机器人制造出来的产品不管在使用寿命还是产品质量都有显著优势。目前工业机器人的重复定位精度很高，但是绝对精度不高，因而对绝对精度的研究具有较大的实用价值。

在此背景下，本文首先对工业机器人的两种建模方式，即DH建模与POE建模进行运动学分析，比较得出POE模型为较优的建模方式，此方式能有效解决逆运动学求解的奇异性问题；而对于绝对精度的校正，本文提出基于6DOF工业机器人的空间网格划分方法，并利用空间插值法进行绝对精度补偿；不同的空间网格划分步长会影响机器人算法的计算量以及绝对误差补偿精度，本文将对网格划分的疏密程度进行研究，利用概率统计的方法寻找最佳网格步长。

使用MATLAB进行仿真，实验结果表明按照该方法进行精度补偿后，其误差从4mm下降到了0.2mm左右，其定位精度明显提高，说明该方法满足设计初衷，即空间插值法能有效提高绝对定位精度，满足日常生产要求。

关键词：6DOF；绝对精度；POE模型；MATLAB；空间插值法；最优步长

Abstract

As China's comprehensive national strength becomes stronger and the manufacturing industry develops rapidly, industrial robots have ushered in new opportunities and new challenges. The positioning accuracy of industrial robots as an important indicator affects the quality of the completed process. The products manufactured by industrial robots with high precision have significant advantages in terms of service life and product quality. At present, the repetitive positioning accuracy of industrial robots is very high, but the absolute accuracy is not high, so the research on the absolute accuracy has great practical value.

In this context, this article firstly conducts kinematic analysis on two modeling methods of industrial robots, namely DH modeling and POE modeling, and compares and concludes that the POE model is a better modeling method, which can effectively solve the inverse motion To solve the singularity problem of solving; for the correction of absolute accuracy, this paper proposes a spatial meshing method based on 6DOF industrial robot, and uses spatial interpolation method to compensate for absolute accuracy; different spatial meshing steps will affect the robot algorithm The amount of calculation and absolute error compensation accuracy, this article will study the degree of density of the grid division, using the method of probability statistics to find the best grid step size.

Using MATLAB for simulation, the experimental results show that after the accuracy compensation is performed according to this method, the error drops from 4mm to about 0.2mm, and the positioning accuracy is significantly improved, indicating that the method meets the original intention of the design, that is, the spatial interpolation method can effectively improve the absolute positioning accuracy. Meet the daily production requirements.

Key Words：6DOF；absolute accuracy；POE model；MATLAB；spatial interpolation method；optimal step size

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 工业机器人发展概述 1

1.2 工业机器人校准技术研究现状 3

1.2.1 国外工业机器人校准技术研究现状 3

1.2.2 国内工业机器人校准技术研究现状 4

1.3 论文研究的意义和主要内容 5

1.4 本章小结 5

第2章 机器人运动学模型分析 6

2.1 工业机器人的正向运动学模型 6

2.1.1 机器人DH模型 6

2.1.2 机器人POE模型 8

2.2 工业机器人逆运动学解的求取方法 9

2.2.1 DH模型的逆解求法 9

2.2.2 POE模型的逆解求法 12

2.3 机器人微分运动模型 17

2.4 本章小节 20

第3章 空间网格精度补偿模型 21

3.1 空间网格划分 21

3.2 笛卡尔坐标系中的空间网格精度补偿模型 22

3.3 最优网格步长 24

3.4 本章小结 25

第4章 机器人定位误差补偿实验 26

4.1 KR5ARC工业机器人介绍 26

4.2 KR5ARC工业机器人的POE模型 27

4.3 建立空间精度网格 27

4.4 不同步长对误差精度的影响 29

4.5 本章小结 31

第5章 总结和展望 32

4.1 总结 32

4.2 展望 32

参考文献 34

致 谢 35

绪论

工业机器人发展概述

在许多的领域之中，工业机器人都得到了广泛的应用^[1]。工业工程机器人最初被我国企业大量有规模地广泛应用于我国汽车零件制造业的整车流水线制造生产中,随后大量出口东欧到美和德国、日本等一些现代机械制造业较为发达的地区和国家也开始将工业机器人的应用推广到其他的行业中。对于一些单调、高重复性的工作,采用这种工业机器人进行协助完成不仅实现了可以有效消除无聊枯燥,还同时可以有效减少这些工作人员的劳动强度;对于一些恶劣的环境下一些人类无法完成的重复性工作,可以用工业机器人独自或协助的方式来完成,这样不仅实现了可以大幅度地提高效率还同时可以有效保护这些工作人员的生命和人身安全。现阶段,工业机器人的技术越来越成熟,它在我国现代工业中的应用和发展,进一步大大解放了我们的生产力,改变了我们传统的生产方式。

我国在1970年初开始投入研究生产现代工业机器人^[2],在先后经历了工业理论基础研究、样机、初步投入应用和逐步完成产业化四个发展阶段的快速发展后,目前我国市场中比较常见的工业机器人类型中，多轴机器人可以很好地达到能够应用到不同行业和场景的机器人需求，多轴机器人的示意图如图1-1所示。至今虽然我国的工业机器人技术己经开始得到一定程度的发展和普及,但是与世界制造业第一强国的相比,在机器人的保有量和智能型工业机器人的密度上还是一直存在不小的差距。