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在机器人核心技术研发方面，本课题主要围绕机器人本体设计和制造，控制器开发和焊接机器人应用技术三方面展开。
(1) 在机器人本体设计和制造方面，目标是要设计出高精度，高刚度，高可靠性，低负载自重比，且造价低的机械本体结构，力争达到国际先进同类机器人的技术水平。为此，在165kg和200kg机器人的分析及优化设计中，综合采用了基于虚功原理的机器人静力平衡分析，关键部件的有限元分析，基于运动学指标和整体模态特性的结构和尺寸优化分析的方法。通过对以上方法的理论研究、仿真计算分析以及试验等阶段的实施，摸索了一套具体的实现方法。该方法已经在165kg和200kg机器人的分析及优化设计中得到了应用，取得了比较理想的效果，例如：
通过采用优化设计方法和几年多现场应用，改进设计和再制造，大部分性能指标已达到国际同类产品的水平，例如：
? 机器人的重复定位精度（小于±0.15mm，合同指标为±0.25mm）；
? 机器人本体的最小固有震动频率为5Hz，与意大利Comau机器人相当；
? 系统的稳定和可靠性：故障率统计显示与意大利Comau机器人相当；
? 机械噪音小于80dB。
(2) 在机器人控制器开发方面，目标是要研发出能控制机器人实现高速平稳运动，稳定性和可靠性与国外先进机器人控制器相当，且
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成相对较低的机器人控制器。为此，在控制器软件设计中，通过理论建模，搭建了包含摩擦、间隙和非线性刚度的动态关节模型。然后引入机械臂模型和电机模型，组成整个机器人模型。在理论建模的基础上，搭建了整个机器人的动态matlab仿真模型。在硬件选型和控制方法的设计方面，充分考虑可靠性和先进性，采用嵌入式总线类型的控制模式，确保设计出的控制器不仅性能高，低成本而且稳定可靠。
从应用结果可以看出，新研发出的控制器在抑制高速运动的振动，稳定性和可靠性方面与意大利Comau机器人及日本的Funac机器人相当。
（3）在焊接机器人应用技术方面，已经开发出机器人运动仿真软件。机器人虚拟仿真技术应用于机器人设计，应用规划，离线编程和操作培训，是机器人关键技术之一。进口的一套仿真软件价格高达一两百万元人民币。目前，在自主开发机器人仿真软件方面已经取得了重要进展。自行开发的仿真软件已经能够实现对导入的机器人，焊钳和工装夹具的三维模型进行动态仿真和离线编程，能实现多机器人，多工位的三维仿真和离线编程。此外，通过从单工位，工作站到多机器人自动化生产线应用技术的开发，已经掌握了机器人集成应用的基本技术，培养了一批机器人系统集成应用队伍。
三、课题研究的主要技术内容、技术路线、实施方案和方法 3.1研究的技术内容:本课题研制的点焊机器人系统包括：机器人本体、控制器、焊接系统(专用焊接电源、焊枪或焊钳等)、控制计算机和相应的安全设备等。机器人本体结构采用6自由度全关节型机器
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人。对于165kg点焊机器人将采用具有一定开放性的数字运动控制器实现运动控制，对于200kg点焊机器人将采用工业以太网形式的分布式控制器实现运动控制。以IPC作为整个系统的控制单元，协调和处理各种I/O和用户操作。研制专门用来读取各个单元状态信息、处理错误和故障的安全电路来保证系统安全可靠运行，通过自行研制图形化界面的示教盒、开发三维虚拟焊接仿真系统和操作控制相关的配套软件把各个部分有机整合，从而实现功能完善的点焊机器人系统。
3.2 技术路线和方法:
（1）在机械本体设计方面以国外成熟的外形设计为参考对象，结合我国制造工艺现状，综合考虑精度，强度，刚度，成本和机器人设计对整体性能的影响等几方面因素，研究和开发出最优化的机器人设计和制造方法和技术；
（2）在机器人控制器方面瞄准国外先进机器人控制器的构架，兼顾我国目前实际情况，采用基于运动控制卡和基于高性能工业PC的两种控制形式，开发出满足生产需求的、性能稳定可靠的机器人控制器。
（3）在机器人集成应用方面，以汽车机器人自动化生产线集成应用为目标，开发具有完全自主知识产权的机器人仿真和离线编程软件，机器人网络协调控制技术和机器人自动化生产线工艺设计和组态技术。
四、课题研究取得的主要技术成果、创新点及未来前景
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4.1 课题研究取得的主要技术成果:
课题申请发明专利4项。具体明细如下表所示：
序号 1 2 3 4 名称 一种焊接机器人的平衡器及其构成方法 一种机器人平衡器联接结构及装配方法 重载机器人带加速度及电流前馈的位置控制器 一种重载工业机器人操作空间内运动轨迹规划方法 专利申请号 2.6 0.3 0.5 6.7 类别 发明 发明 发明 发明 累计论文发表论文8篇，具体明细如下： 序号 1 论文名称 机器人自动焊接系统的设计与应用 工业机器人离线编程软件的国产化开发及应用 Optimal design for a 2-DOF high dynamic manipulator based on parallelogram mechanism Control system design for high payload industrial robot via highspeed communication bus and real-time system Modeling and Simulating the Nonlinear Characters of Robot Joints. Optimal design of dynamic and 6 control performance for planar manipulator 含有摩擦间隙迟滞的机械臂关节建模方法 游玮 中南大学学报 录用 第一作者 赵彦斌 发表刊名或会议名称 机器人技术与应用 发表时间 2010年，已录用 2010年，已录用 2010.7 已录用 2 曹金学 机器人技术与应用 3 孔民秀 IEEE/ASME 4 游玮 Key Engineering Materials IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics 2010.8 已录用 5 肖永强 录用 7 杜志江 机器人 录用 .
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8 Optimal motion generation for heavy duty industrial robots—control scheme and algorithm 游玮 ICM2011 录用 4.2 课题研究的技术创新点:
（1）动态设计是从传统的单纯机械本体性能设计转变为考虑机械人控制动态性能，从机构优化设计到结构优化设计，从运动学性能分析向动力学性能分析转变，从纯刚体动力学分析向刚柔耦合动力学分析转变，整个设计流程如下图所示。首先从机构学的层面，进行运动学建模，提出运动学指标，如工作空间，灵巧度等；对机构惯量分布进行简化，完成刚体动力学分析，提出刚体动力学指标，如各轴惯量，耦合惯量等。基于运动学指标和刚体动力学指标完成机构尺寸综合。在完成机构主要参数确定后，进行关键部件结构设计，在此过程中，对关键部件进行柔性体分析，获得部件在典型工况下的应力分布情况，进行强度校核以及变形分析，综合各种指标完成关键部件的结构优化。在完成部件结构设计后，进行整机刚柔耦合分析，提出整机刚柔耦合动力学指标，如自振模态频率等动态性能。如不满足则返回机构设计环节从新进行动态迭代, 如性能满足要求，则至此完成所有的机构设计和结构设计，进行样机制造，最后完成动态测试。
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自主机器人研究报告
