(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210516237.X (22)申请日 2022.05.12 (71)申请人 中国计量大 学 地址 310018 浙江省杭州市钱塘区下沙高 教园区学源街258号 (72)发明人 姚宝国　葛雨勋　李浩杰　 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种包括作业工具的六轴工业机器人制孔 系统整体刚度建模方法 (57)摘要 本发明公开了一种包括作业工具的六轴工 业机器人制孔系统整体刚度建模 方法， 包括以下 步骤， 根据虚拟关节法得到机器人等效关节刚度 矩阵； 根据对偶四元数得到机器人本体刚度矩 阵； 根据欧拉 ‑伯努利梁理论得到作业工具刚度 矩阵； 根据线性叠加原理得到包括作业工具的六 轴工业机器人制孔系统整体刚度模 型。 本发明能 够提高工业机器人制孔系统刚度建模的完整性 和准确性， 为六轴工业机器人制孔刚度优化提供 了一种包括作业工具的整体刚度建模 方法， 为智 能制造行业克服机器人刚度不足， 提高加工精度 和加工质量 提供了新的思路。 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 CN 114872045 A 2022.08.09 CN 114872045 A 1.一种包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法， 其特征在于， 该 方法的实现步骤如下： 步骤一： 采用虚拟关节法将六轴工业机器人关节内部的动力装置与传动装置等效为弹 簧， 获得机器人本体的6个等效虚拟弹簧， 计算机器人本体的关节等效刚度矩阵； 步骤二： 根据步骤一得到的关节等效刚度矩阵， 用对偶 四元数来表示机器人的雅可比 矩阵、 机器人本体位姿、 关节转角和关节位移， 进而 得到以对偶四元数表示的机器人本体刚 度矩阵； 步骤三： 根据欧拉 ‑伯努利梁理论得到作业工具的刚度矩阵； 步骤四： 采用线性叠加方法分析步骤二和步骤三得到的机器人本体刚度矩阵和作业工 具刚度矩阵， 根据作业工具所 受的载荷和产生的形变建立包括作业工具的机器人制孔系统 整体刚度模型。 2.根据权利要求1所述的包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方 法， 所述六轴工业机器人制孔系统包括六轴机器人本体 （1） 和作业工具， 所述作业工具包括 制孔刀具 （2） 、 电主轴 （3） 和支撑框架 （4） ， 将支撑框架 （4） 视为刚体， 将制孔刀具 （2） 和电主 轴 （3） 简化 为悬臂梁， 分析获得作业工具的刚度矩阵。 3.根据权利要求1所述的包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方 法， 其特征在于， 所述步骤四中， 根据线性叠加原理， 机器人制孔系统整体产生的形变能够 由机器人关节形变和作业工具 形变的和表示， 整体的形变表达式为： 其中， 、 和 分别为机器人制孔系统整体形变矩阵、 机器人关节形变矩阵和作 业工具形变矩阵， 、 和 分别为机器人制孔系统整体刚度逆矩阵、 机器人本体 刚度逆矩阵和作业工具刚度逆矩阵， 为机器人作业工具受到的广义载荷矩阵； 进而获得六轴工业机器人制孔系统整体刚度逆矩阵的表达式： 进而获得包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统的整体刚度模型。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114872045 A 2一种包括作业工具的六轴工 业机器人制孔系统整体刚度建模 方法 技术领域 [0001]本发明属于机器人刚度建模技术领域， 具体涉及 一种包括作业工具的六轴工业机 器人制孔系统整体刚度建模方法。 背景技术 [0002]随着自动化装备在制造业中的快速发展， 6关节串联机器人凭借冗余自由度能以 多种姿态接近加工孔位， 在制 造业中体现出极强的空间灵活性和成本优势。 但是串联机器 人类似悬臂梁的结构特点导致其静态刚度不 足， 从而引起的加工误差是目前实际作业中制 约工业机器人的主要因素。 在加工过程中， 由于机器人动态刚度、 固有频率等多种因素影 响， 使得刀具与工件产生颤振， 极大 的影响了加工孔的尺寸精度和表面粗糙度。 因此， 对刚 度进行数模分析来改善 工业机器人刚度问题就显得格外具有意 义。 [0003]针对机器人弱刚性问题， 需对机器人刚度特性与 刚度建模方法开展研究。 在文献 “关立文,陈志雄,刘春,薛俊.钻铆机器人静刚度建模及优化.清华大学学报,2021,61(09): 965‑971”中， 关立文等人采用D ‑H参数法推导机器人运动学正解， 然后结合雅可比矩阵和胡 克定律建立机器人静刚度模 型。 中国专利CN107545127A公开了一种考虑接触的工业机器人 关节刚度建模方法， 该方法结合分形理论和结构受力分析建立了工业机器人关节刚度模 型。 [0004]上述方法虽建立了工业机器人的刚度模型， 但并未从机器人 ‑作业工具的角 度考 虑整体刚度问题， 未能建立包括作业工具的工业机器人整体刚度模型。 发明内容 [0005]有鉴于此， 本发明针对上述现有技术存在的无法建立机器人制孔系统整体刚度模 型的技术问题， 提供了一种包括作业工具的六轴工业机器人制孔系统整体刚度建模方法。 [0006]本发明的技术解决方案是， 提供一种包括作业工具的工业机器人制孔系统整体刚 度建模方法， 该 方法的实现步骤如下： 步骤一： 采用虚拟关节 法将六轴工业机器人关节内部的动力装置与传动装置等效 为弹簧， 获得机器人本体的6个等效虚拟弹簧， 计算机器人本体的关节等效刚度矩阵； 步骤二： 根据步骤一得到 的关节等效刚度矩阵， 用对偶四元数来表示机器人的雅 可比矩阵、 机器人本体位姿、 关节转角和关节位移， 进而得到以对偶四元数表 示的机器人本 体刚度矩阵； 步骤三： 根据欧拉 ‑伯努利梁理论得到作业工具的刚度矩阵； 步骤四： 采用线性叠加方法分析步骤二和步骤三得到的机器人本体刚度矩阵和作 业工具刚度矩阵， 根据作业工具所 受的载荷和产生的形变建立包括作业工具的机器人制孔 系统整体刚度模型。 [0007]可选的， 所述六轴工业机器人制孔系统包括六轴机器人本体和作业工具， 所述作说　明　书 1/3 页 3 CN 114872045 A 3