[发明专利]一种基于四阶矩估计的工业机器人可靠性计算方法

说明书

本发明公开了一种基于四阶矩估计的工业机器人可靠性计算方法。建立机器人的D‑H连杆坐标系并构建正运动学方程，将机器人的关节间隙和连杆尺寸偏差视为随机变量，计算实际位置点和期望位置点的距离作为机器人的运动误差，将机器人的运动误差视为随机变量并计算出前四阶矩，建立表征机器人运动可靠性的系统功能函数并计算功能函数的前四阶矩，利用四阶矩估计方法求解出系统功能函数的概率密度函数，进行积分获得机器人的可靠性。本发明充分利用了关节间隙和连杆尺寸偏差的概率分布信息，因此只需要极少的样本便可完成对机器人系统的可靠性计算，显著缩短了时间并提高了效率，适用于串联及其他任何旋转关节类型的工业机器人。

技术领域

本发明涉及了一种机器人可靠性计算方法，尤其是涉及了一种基于四阶矩估计的工业机器人可靠性计算方法，涉及工业生产、医药制造等领域中广泛使用的串联及并联型机器人。

背景技术

随着工业4.0时代的到来，许多领域诸如大型复杂零部件的加工，装配和搬运，无夹具系统的焊接，喷涂以及雕刻等，对机器人的运动精度、稳定性及可靠性的要求也越来越高，但是由于机器人在设计、零部件加工、装配以及使用中难免磨损和受力变形等，使得机器人的本体存在着不可避免的误差，主要包括旋转关节处的关节间隙以及连杆尺寸的偏差，连杆尺寸的偏差使得机器人的末端运动精度降低，关节间隙的存在不仅影响运动精度，还会造成关节冲击，加剧振动甚至引起机器人的运动失效，因此对机器人在上述不确定性影响下的运动的可靠性研究具有重要意义。当前的工业生产中，用来对机器人的可靠性进行计算的方法主要包括了一阶可靠性分析方法、蒙特卡洛随机模拟方法，尤其是蒙特卡罗随机模拟方法更是广泛使用，但是由于蒙特卡洛模拟需要基于非常大的样本值才能较为准确的估计出系统的可靠性，在实际运用中，不仅成本高昂，而且效率也较低，一阶可靠性方法虽然可以减少模拟的样本数量，但是由于其计算精度有限，主要用在一些结构简单，非线性化程度较低的机械系统中，无法满足诸如航空航天、机器人运动控制系统等领域的要求。

发明内容

为解决机器人可靠性计算的问题，本发明的目的是提出一种基于四阶矩估计的工业机器人可靠性计算方法，针对串联、并联以及任何旋转关节组成的机器人或机械系统，通过对关节间隙和连杆尺寸偏差的组成的随机变量进行统计学分析，确定其概率分布类型，通过机器人运动学获得机器人末端位置的误差组成的样本，建立了机器人系统的功能函数，并通过对末端位置误差进行统计分析，获得功能函数的概率密度函数表达式，从而快速准确的对机器人可靠性进行计算。

本发明采用的技术方案是采用以下步骤：

第一步：根据机器人的连杆臂结构建立包含基坐标系和关节局部坐标系的D-H连杆坐标系；

如附图2所示，首先将机器人的底部中心作为原点建立基座标系O_XYZ，其中Z轴沿机器人第一个旋转关节的轴向方向，X轴方向任意选取，Y轴的指向根据右手法则由X轴和Z轴确定。