基于关节力的空间六维力测量方法技术

本发明专利技术提供的一种基于关节力的空间六维力测量方法，包括上平台和下平台，所述下平台由六个电机分别独立驱动的六个驱动杆与上平台连接，六个电机形成六个关节，所述上平台和下平台分别具有六个连接点，通过建立坐标系、运动学逆解、运动学正解以及Jacobi矩阵的求解；能够在极端环境中对机器人末端的六维力和力矩进行准确测量计算，并且能够适应恶劣的工况环境，可靠性强。

【技术实现步骤摘要】
基于关节力的空间六维力测量方法
本专利技术涉及一种机器人的力和力矩测量方法，尤其涉及一种基于关节力的空间六维力测量方法。
技术介绍
现有的工业、军事中，广泛运用到机器人，机器人在运动过程中所受到的六维力和力矩测量要求越来越高，而且环境也越来越复杂，通过现有的测量技术已经远远不能满足环境、频率、耦合以及简便等要求，比如：机器人在恶劣的环境中进行作业时，其末端与环境接触的地方产生的力或者力矩会对操作的运动轨迹、精度等产生重大影响，如将现有测量方式中的力传感器或速度传感器安装在操作末端上，由于末端所述的环境复杂多变，高温高压或者强光灯极端环境将严重影响力传感器或者速度传感器的测量精度，同时对传感器提出了极高的要求，而且装配复杂，操作准备的工作量大，然而，现有技术都需要借助上述的传感器来进行测量。因此，需要提出一种对机器人的六维力和力矩的测量方法，能够在极端环境中对机器人传感器的六维力和力矩进行准确测量，并且能够适应恶劣的工况环境，可靠性强。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于关节力的空间六维力测量方法，能够在极端环境中对机器人传感器的六维力和力矩进行准确测量，并且能够适应恶劣的工况环境，可靠性强。本专利技术提供的一种基于关节力的空间六维力测量方法，包括上平台和下平台，所述下平台由六个电机分别独立驱动的六个驱动杆与上平台连接形成并联机构，六个电机形成六个关节，所述上平台和下平台分别具有六个连接点；包括如下步骤：S1.建立坐标系在上平台建立工件坐标系O1-x1y1z1,在下平台建立基坐标系O-xyz，Bi和Ai分别为上下平台对应的六个连接点，其中：下平台的各连接点在基坐标系中的向量为(Aix，Aiy，Aiz)，上平台的各连接点在基坐标系中的向量表示为(Bix，Biy，Biz),在工件坐标系中的向量表示为(bix，biy，biz),工件坐标系在基坐标系中的位置矢量为O1，li为上平台和下平台对应点的长度，上平台相对于下平台的位姿x(t)、y(t)、z(t)、θx(t)、θy(t)、θz(t)表示为x、y、z、θx、θy、θz；S2.运动学逆解当上平台的位姿改变时，根据平面与平面上点的关系求出此时新点的坐标值Bi，Bi＝Rbi+O1(1.1)其中，R为上平台姿态的旋转矩阵，O1为上平台上的工件坐标系相对于下平台基坐标系中的位移矢量，bi为Bi点在工件坐标系中的位置矢量；驱动杆在基坐标系o-xyz中的位置矢量为Li＝Bi-Ai＝Rbi+O1-Ai，其中，(i＝1,2,...,6)，驱动杆的实时长度可表示称被测运动问题位姿参数的函数：Bi、bi分别为上平台顶点在基坐标系、工件坐标系中的位置向量，Ai为下平台顶点在基坐标系中的位置向量，将被测物体的六个位姿参数代入到(1.2)式中，可求得驱动杆的长度；S3.运动学正解正解方程由逆解方程变化而来：li2＝(Bi-Ai)(Bi-Ai)T，其中Bi，Ai分别表示上平台和下平台的连接点在基坐标系中的坐标；fi(Bi)＝fi(x,y,z,θx,θy,θz)＝(Rbi+O1-Ai)(Rbi+O1-Ai)T-li2＝0，i＝1,2,...,6(1.3)；首先令x1,x2,x3,x4,x5,x6＝(x,y,z,θx,θy,θz)且初始点(x,y,z,θx,θy,θz)＝(0,0,0,0,0,0)，然后将fi(Bi)(i＝1,2,...,6)在Bi附近进行Taylor展开，取其一阶线性部分可得式(1.4)中为xi的线性方程组，对应的系数矩阵为J1且系数矩阵对应的第i行第j列元素为通过求系数矩阵J1的逆矩阵以及解方程组即可求得上平台的位姿；S4.力Jacobi矩阵的求解机构的速度Jacobi矩阵J为：J＝[eT(Rb×e)T]-1(1.5)对于六个关节驱动力(或力矩)组成的关节矢量为τ＝[τ1,τ2,τ3,τ4,τ5,τ6]T关节矢量与运动平台的广义操作力矢量F＝[f1,f2,f3,f4,f5,f6]T具有如下关系：τ＝JT(q)F(1.6)力Jacobi矩阵JF是静平衡状态下，关节力向操作力映射的线性关系，即F＝JFτ，则进一步，所述测量方法还包括步骤S5:关节电机驱动电压测量与驱动力的计算：六个电机共同驱动上平台运动，电机输出的驱动力Fml与驱动电压u有如下关系：Fml(s)＝L[Fml](1.8)U(s)＝L[u](1.9)其中，G(s)表示从驱动电压到输出驱动力的传递函数，驱动杆的输出驱动力：关节驱动力矢量τ＝diag(Fml1,Fml2,Fml3,Fml4,Fml5,Fml6)(1.12)然后通过动力学正解，则可以得到力矢量F＝JFτ。进一步，所述上平台和下平台为六边形或圆形，上平台位于下平台的正上方。本专利技术的有益效果：本专利技术的测量方法，能够在极端环境中对机器人传感器的六维力和力矩进行准确计算测量，避免了传统测量技术中环境因素对测量结果的影响，保证测量的准确度同时能够适应恶劣的工况环境，可靠性强；并且本方法的适应性广，还能够运用到并联机床、飞行模拟器、空间对接设备等领域中。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述：图1为本专利技术的的并联结构结构示意图。图2为本专利技术的坐标系示意图。具体实施方式图1为本专利技术的的并联结构结构示意图，图2为本专利技术的坐标系示意图，如图所示，本专利技术提供的一种基于关节力的空间六维力测量方法，包括上平台1和下平台4，所述上平台1由六个电机3分别独立驱动的六个驱动杆2与上平台1连接形成并联机构，六个电机3形成六个关节，所述上平台和下平台分别具有六个连接点；包括如下步骤：S1.建立坐标系在上平台建立工件坐标系O1-x1y1z1,在下平台建立基坐标系O-xyz，Bi和Ai分别为上下平台对应的六个连接点，其中：下平台的各连接点在基坐标系中的向量为(Aix，Aiy，Aiz)，上平台的各连接点在基坐标系中的向量表示为(Bix，Biy，Biz),在工件坐标系中的向量表示为(bix，biy，biz),工件坐标系在基坐标系中的位置矢量为O1，li为上平台和下平台对应点的长度，上平台相对于下平台的位姿x(t)、y(t)、z(t)、θx(t)、θy(t)、θz(t)表示为x、y、z、θx、θy、θz；S2.运动学逆解当上平台的位姿改变时，根据平面与平面上点的关系求出此时新点的坐标值Bi，Bi＝Rbi+O1(1.1)其中，R为上平台姿态的旋转矩阵，O1为上平台上的工件坐标系相对于下平台基坐标系中的位移矢量，bi为Bi点在工件坐标系中的位置矢量；驱动杆在基座标系o-xyz中的位置矢量为Li＝Bi-Ai＝Rbi+O1-Ai，其中，(i＝1,2,...,6)，驱动杆的实时长度可表示称被测运动问题位姿参数的函数：Bi、bi分别为上平台顶点在基坐标系、工件坐标系中的位置向量，Ai为下平台顶点在基坐标系中的位置向量，将被测物体的六个位姿参数代入到(1.2)式中，可求得驱动杆的长度；S3.运动学正解正解方程由逆解方程变化而来：li2＝(Bi-Ai)(Bi-Ai)T，其中Bi，Ai分别表示上平台和下平台的连接点在基坐标系中的坐标；fi(Bi)＝fi(x,y,z,θx,θy,θz)＝(Rbi+O1-Ai)(Rbi+O1-Ai)T-li2＝0，i＝1,2,...,6(1.3)；首先令本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于关节力的空间六维力测量方法，其特征在于：包括上平台和下平台，所述下平台由六个电机分别独立驱动的六个驱动杆与上平台连接形成并联结构，六个电机形成六个关节，所述上平台和下平台分别具有六个连接点；包括如下步骤：S1.建立坐标系在上平台的中心建立工件坐标系O1‑x1y1z1,在下平台的中心建立基坐标系O‑xyz，Bi和Ai分别为上下平台对应的六个连接点，其中：下平台的各连接点在基坐标系中的向量为(Aix，Aiy，Aiz)，上平台的各连接点在基坐标系中的向量表示为(Bix，Biy，Biz),在工件坐标系中的向量表示为(bix，biy，biz),工件坐标系在基坐标系中的位置矢量为O1，li为上平台和下平台对应点的长度，上平台相对于下平台的位姿x(t)、y(t)、z(t)、θx(t)、θy(t)、θz(t)表示为x、y、z、θx、θy、θz；S2.运动学逆解当上平台的位姿改变时，根据平面与平面上点的关系求出此时新点的坐标值Bi，Bi＝Rbi+O1     (1.1)其中，R=cosθycosθx-sinθxcosθz+cosθxsinθysinθzsinθxsinθz+cosθxsinθycosθzsinθxsinθysinθxsinθysinθz+cosθxcosθzsinθxsinθycosθz-cosθxsinθz-sinθycosθysinθzcosθycosθz]]>R为上平台姿态的旋转矩阵，O1为上平台上的工件坐标系相对于下平台基坐标系中的位移矢量，bi为Bi点在工件坐标系中的位置矢量；驱动杆在基坐标系o‑xyz中的位置矢量为Li＝Bi‑Ai＝Rbi+O1‑Ai，其中，(i＝1,2,...,6)，驱动杆的实时长度可表示称被测运动问题位姿参数的函数：li=||Li||=|Bi-Ai|=(Rbi+O1-Ai)T(Rbi+O1-Ai)=hi(x,y,z,θx,θy,θz)---(1.2)]]>Bi、bi分别为上平台顶点在基坐标系、工件坐标系中的位置向量，Ai为下平台顶点在基坐标系中的位置向量，将被测物体的六个位姿参数代入到(1.2)式中，可求得驱动杆的长度；S3.运动学正解正解方程由逆解方程变化而来：li2＝(Bi‑Ai)(Bi‑Ai)T，其中Bi，Ai分别表示上平台和下平台的连接点在基坐标系中的坐标；fi(Bi)＝fi(x,y,z,θx,θy,θz)＝(Rbi+O1‑Ai)(Rbi+O1‑Ai)T‑li2＝0，i＝1,2,...,6   (1.3)；首先令x1,x2,x3,x4,x5,x6＝(x,y,z,θx,θy,θz)且初始点(x,y,z,θx,θy,θz)＝(0,0,0,0,0,0)，然后将fi(Bi)(i＝1,2,...,6)在Bi附近进行Taylor展开，取其一阶线性部分可得fi+Σk=16(xk-xk0)∂fi∂xk=0---(1.4)]]>式(1.4)中为xi的线性方程组，对应的系数矩阵为J1且系数矩阵对应的第i行第j列元素为通过求系数矩阵J1的逆矩阵以及解方程组即可求得上平台的位姿；S4.力Jacobi矩阵的求解机构的速度Jacobi矩阵J为：J＝[eT (Rb×e)T]‑1     (1.5)对于六个关节驱动力(或力矩)组成的关节矢量为τ＝[τ1,τ2,τ3,τ4,τ5,τ6]T关节矢量与运动平台的广义操作力矢量F＝[f1,f2,f3,f4,f5,f6]T具有如下关系：τ＝JT(q)F     (1.6)力Jacobi矩阵JF是静平衡状态下，关节力向操作力映射的线性关系，即F＝JFτ，则JF=(JT)-1=(J-1)T=[eT(Rb×e)T]T=e(Rb×e)---(1.7).]]>...

【技术特征摘要】
2015.01.23 CN 20152004887061.一种基于关节力的空间六维力测量方法，包括上平台和下平台，所述下平台由六个电机分别独立驱动的六个驱动杆与上平台连接形成并联结构，六个电机形成六个关节，所述上平台和下平台分别具有六个连接点，其特征在于：包括如下步骤：S1.建立坐标系在上平台的中心建立工件坐标系O1-x1y1z1,在下平台的中心建立基坐标系O-xyz，Bi和Ai分别为上下平台对应的六个连接点，其中：下平台的各连接点在基坐标系中的向量为(Aix，Aiy，Aiz)，上平台的各连接点在基坐标系中的向量表示为(Bix，Biy，Biz),在工件坐标系中的向量表示为(bix，biy，biz),工件坐标系在基坐标系中的位置矢量为O1，li为上平台和下平台对应点的长度，上平台相对于下平台的位姿x(t)、y(t)、z(t)、θx(t)、θy(t)、θz(t)表示为x、y、z、θx、θy、θz；S2.运动学逆解当上平台的位姿改变时，根据平面与平面上点的关系求出此时新点的坐标值Bi，Bi＝Rbi+O1(1.1)其中，R为上平台姿态的旋转矩阵，O1为上平台上的工件坐标系相对于下平台基坐标系中的位移矢量，bi为Bi点在工件坐标系中的位置矢量；驱动杆在基坐标系o-xyz中的位置矢量为Li＝Bi-Ai＝Rbi+O1-Ai，其中，(i＝1,2,...,6)，驱动杆的实时长度可表示称被测运动问题位姿参数的函数：Bi、bi分别为上平台顶点在基坐标系、工件坐标系中的位置向量，Ai为下平台顶点在基坐标系中的位置向量，将被测物体的六个位姿参数代入...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞，赵云花，谢更新，熊辉，詹涵菁，张元勋，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85