指导老师：田 威 教授
论文题目：工业机器人作业系统刚度强化机制与轨迹补偿方法研究
答辩委员会：
主席：王国平 教授/博导 南京理工大学
委员：李 俊 教授/博导 东南大学
谭业发 教授/博导 中国人民解放军陆军工程大学
陈文亮 教授/博导 南京航空航天大学
黄 翔 教授/博导 南京航空航天大学
陈 柏 教授/博导 南京航空航天大学
田 威 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：李 波 讲师 南京航空航天大学
答辩时间：2020年10月14日09:00-12:00
地点：南航明故宫校区6#201
学位论文简介：
随着智能制造在高端制造领域的不断深化，工业机器人凭借其高柔性、智能化的突出优势，得到了以航空航天制造业为代表的高精度制造领域的广泛青睐。但开式链结构的固有属性导致其结构刚度远低于数控机床。一方面弱刚性属性会降低产品表面的加工质量，另一方面末端受到的作业载荷也会降低机器人作业过程的轨迹精度，无法满足精度要求高、装配过程复杂的高附加值产品制造装配需求。因此，开展机器人精确建模方法、作业刚度强化机制以及载荷引起的轨迹误差补偿技术研究是克服机器人结构固有缺陷、改善机器人作业性能的有效手段。本文的主要研究成果包括：
（1）探究了机器人关节刚度的空间相似性，在此基础上提出了一种空间网格化的采样点规划方法；在不同网格区间内通过静刚度辨识方法分别计算对应的关节刚度，建立了机器人标定空间的变参数刚度模型，并根据辨识结果分析了不同网格空间下关节刚度的分布特性；建立的变参数刚度模型克服了作业空间与机器人姿态对辨识结果的影响，有效提升了机器人末端刚度的表征准确度。
（2）提出了融合运动灵巧性指标与关节极限位姿指标的机器人运动学性能综合评价方法；通过分析不同作业任务的切削载荷分布特点，建立了机器人定向刚度评估模型，实现了机器人在特定方向上加工性能的量化评估；针对附加外部轴的机器人作业系统，在运动学性能约束下，提出了以定向刚度为目标的机器人作业姿态综合优化策略，实现了机器人作业姿态与加工站位的优选；仿真结果证明姿态优化方法有效提升了机器人作业性能与加工精度。
（3）提出了机器人轨迹误差分级补偿策略与微小线段拟合的插补位置规划方法；建立了耦合自重的机器人运动学参数误差模型，实现了机器人控制指令的离线修正；提出了基于刚度模型的机器人作业误差预测方法，实现了载荷引起的作业误差在线预测；为解决误差预测与补偿位置的匹配性问题，提出了错位修正的轨迹补偿策略，实现了轨迹误差的精确控制。
（4）通过离散位置的静载荷引起的误差补偿试验验证了机器人变参数刚度模型的表征准确性；在制孔与铣削试验中通过姿态优化前后的加工质量对比，对刚度强化的有效性进行了验证；针对直线轨迹和圆弧轨迹铣削任务开展了轨迹误差补偿试验，试验结果表明提出的补偿方法可以有效修正加工过程中的轨迹误差；通过对航天器支架部件开展铣削试验，证明本文提出的方法可以使机器人作业装备满足高精度加工任务的工艺需求。
本文研究成果推动了以工业机器人为载体的先进制造装备在高端制造领域的推广应用，具有重要的理论指导意义和工程应用价值。
主要创新点如下：
（1）创新性地提出了一种基于空间相似性的变参数关节刚度辨识方法，将机器人有效作业空间网格化处理，在不同区间内分别实现关节刚度辨识并得到变参数刚度模型，提升了机器人刚度建模的准确度。
（2）以运动学性能约束下加工载荷方向刚度最优为目标，提出了一种机器人作业姿态综合优化策略，实现了机器人加工姿态及附加轴定位的优选，并针对大量点位或连续轨迹加工作业提出光顺处理策略，大幅提高姿态优化效率。
（3）研究了连杆重力对机器人运动误差的影响，构建了重力扩展的机器人运动学参数误差模型，并通过L-M算法辨识参数误差以修正机器人数控指令，通过离线补偿的方式实现了机器人在笛卡尔空间空载运动误差的修正。
（4）提出了微小线段拟合的插补位置规划方法，将轨迹补偿任务离散化，在机器人刚度模型与在线采集作业载荷的基础上实现各离散位置的误差预测，并提出了错位修正的轨迹补偿策略，实现了载荷引起的轨迹作业误差在线评估与实时补偿。
