一种多自由度空间机构运动规划方法技术

本发明专利技术公开了一种多自由度空间机构运动规划方法，包括步骤将多自由度空间机构模型分拆为若干单自由度的构件子模型；建立相应的包含运动学自由度的构件有限元模型；确定各驱动环节所需执行位移，并确定各驱动环节所采用的参数化运动函数；将各驱动环节的参数化运动函数作为边界条件施加到装配体有限元模型中；获得多自由度空间机构机构中的各构件子模型的运动仿真信息，并进而获得振动测量点相对于终止理想位置的相对位移、速度信息；判断多自由度空间机构是否满足最终定位精度要求；将整体运动时间最小化作为优化目标；找到迭代过程中运动规划参数的最优参数。与现有技术相比，本发明专利技术可获得有效总体定位时间最短对应的运动规划函数最优参数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及空间机构运动规划方法，尤其涉及一种多自由度空间机构运动规划方法。
技术介绍
在自动化加工制造领域，多自由度空间机构以其灵活性等诸多优点被广泛应用。多自由度空间机构在高速运动工况中容易出现运动定位过程中的抖动现象，这将显著影响多自由度空间机构的定位精度，并间接导致多自由度空间机构达到规定定位精度所用的有效时间，降低工作效率。为解决上述问题，通常采用合适的运动控制算法来从控制系统优化方面对上述振动进行控制。上述方式在实际应用的关键问题是确定空间机构定位过程的振动响应与空间机构运动规划函数之间的关系。传统的S型曲线运动规划主要是从保证加速度等运动曲线的光顺性来间接降低定位过程中的振动响应，不能获得兼顾许用定位精度和最短有效定位时间的双重要求。例如，专利201310460878.9提出了一种高速机构减小残余振动的S型运动曲线规划方法，通过在常规的S型运动曲线规划方法中增加一段考虑残余振动影响的衰减时间段，并建立相应的以运动规划时间+所述衰减时间段最小为目标的优化模型。在此专利中所述的衰减时间段为高速运动机构在运动规划终止时刻之后为保证残余振动振幅小于许用定位误差所需的时间量。上述衰减时间段通过abs(s-s*)+abs(v)<ε(其中s、s*、v、ε分别为运动位移、期望位移、运动速度、许用定位误差)来获得。专利201310460878.9在基于传统的S型运动曲线规划的优化模型中包含了上述获取的残余振动衰减时间，得到修正后的综合运动规划优化模型。专利201410255068.4提出一种基于主频能量时域最优分布的非对称变加速度规划方法，利用非线性有限元仿真分析获得参数化非对称运动函数驱动下的运动机构的定位残余振动响应历程，并利用abs(s-s*)+abs(v)<ε(其中s、s*、v、ε分别为运动位移、期望位移、运动速度、许用定位误差)判断准则来运动执行机构残余振动满足精度要求所需的残余振动衰减时间。专利201410255068.4通过在优化分析模型中引入对残余振动振幅必须小于许用定位误差的分析约束来获得综合最优运动规划函数参数。虽然专利201310460878.9和专利201410255068.4所提供的综合运动规划优化算法均可用于获得高速机构所需的满足定位精度和最小化总体定位时间等要求的最优运动规划参数，但上述两个专利的核心点均在于对满足定位精度要求的残余振动衰减时间量的判断。在上述两个专利中，所采用的获取满足运动机构定位精度要求所用的判断准则中所采用的许用定位精度ε均未有直接的物理意义，都属于与真实许用定位位移误差相关的一种近似相对指标。由于上述专利中的许用定位精度ε仅是一种相对指标，而在实际复杂工况中相同定位精度要求的运动机构所用的ε未必相同，即上述两个专利所用判断准则中的ε与真实许用定位误差并不存在一个明确的函数关系，这将导致上述专利最终的运动规划优化结果并不一定是匹配真实定位精度要求的最优运动规划。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术提出一种多自由度空间机构运动规划方法。本专利技术的技术方案是这样的，一种多自由度空间机构运动规划方法，包括步骤：S1：根据多自由度空间机构的自由度合成关系将多自由度空间机构模型分拆为若干单自由度的构件子模型，其中每个构件子模型与下一连接层次的构件子模型的连接关系位置为振动测量点；S2：根据各构件子模型的几何信息，建立相应的包含运动学自由度的构件 有限元模型，将各构件有限元模型根据其驱动关节的装配关系生成多自由度空间机构的包含运动学自由度的装配体有限元模型；S3：根据多自由度空间机构点位工作动作的运动反解来确定各驱动环节所需执行位移，并确定各驱动环节所采用的参数化运动函数；S4：将所述各驱动环节的参数化运动函数作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的装配体有限元模型中；S5：根据所述多自由度空间机构机构的几何非线性有限元模型和参数化运动函数边界条件，获得多自由度空间机构机构中的各构件子模型的运动仿真信息，并进而获得所述振动测量点相对于终止理想位置的相对位移、速度信息；S6：根据各振动测量点处的相对位移、速度信息来实时判断多自由度空间机构是否满足最终定位精度要求，重复步骤S5，直至满足定位精度要求，并获取该终止时刻与运动规划终止时刻之间的所用残余振动衰减时间长度；S7：将残余振动衰减时间以及运动驱动时间求和得到整体运动定位时间，并将整体运动时间最小化作为优化目标；S8：若通过迭代收敛准则可以判定整体运动时间为最小值时，则对应迭代过程中的运动规划参数为最优参数；若整体运动时间不是最小值，则基于梯度优化算法计算运动参数的优化搜索方向与搜索步长，并更新步骤S3中的参数化运动函数，重复步骤S3-S7进行迭代计算，直至找到迭代过程中运动规划参数的最优参数。进一步地，步骤S6包括步骤：S61：对各构件的振动测量点处的相对位移、速度信息进行快速傅里叶变换、带通滤波等信号处理，获得各构件上的各阶固有频率及其定位残余振动历程中各阶固有频率对应的位移、速度运动信号；S62：利用获得的固有频率与位移、速度信号获得各阶固有频率所对应的位移及速度时域历程曲线，并获得每一构件上振动测量点的振动能量包络线，所述能量包络线的幅值为每一构件在该时刻固有频率所对应时域运动历程能量的 等效弹性势能最大位移；S63：对所获的每一段构件的各阶固有频率所对应能量包络线进行叠加，获得该段构件上的单自由度综合能量包络线，所述单自由度综合能量包络为该段构件的该时刻定位误差最大幅值；S64：将各段构件的各时刻定位误差进行叠加，获得多自由度空间机构的极大定位误差；S65：将极大定位误差值的幅值与空间机构工作执行端的许用位移误差值比较，当极大定位误差值的幅值小于运动机构许用位移误差时，则在该时刻多自由度空间机构满足定位精度要求。本专利技术的有益效果在于，与现有技术相比，本专利技术可获得有效总体定位时间最短对应的运动规划函数最优参数，兼顾了许用定位精度和最短定位时间的双重要求，同时本专利技术采用了基于能量的运动定位误差判定方式，避免了采用位移振动曲线进行运动定位误差判定造成的误判，而且本专利技术运动定位误差判断所用公式为显式公式，可以对定位误差进行实时判断，便于在嵌入式控制器中实施。附图说明图1是本专利技术多自由度空间机构运动规划方法流程图。图2是本专利技术多自由度空间机构运动规划方法算法流程图。图3是本专利技术多自由度空间机构运动规划方法所用的定位精度判定在多模态工况下的残余振动示意图。图4是图3中所示多模态工况下1阶主频率对应的残余振动分析示意图。图5是图3所示多模态工况下2阶主频率对应的残余振动分析示意图.图6是图3所示多模态工况下3阶主频率对应的残余振动分析示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参见图1和图2，本专利技术一种多自由度空间机构运动规划方法，包括步骤S1：根据多自由度空间机构的自由度合成关系将多自由度空间机构模型分拆为若干单自由度的构件子模型，所述的各构件子模型中都含有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自由度空间机构运动规划方法，其特征在于，包括步骤：S1：根据多自由度空间机构的自由度合成关系将多自由度空间机构模型分拆为若干单自由度的构件子模型，其中每个构件子模型与下一连接层次的构件子模型的连接关系位置为振动测量点；S2：根据各构件子模型的几何信息，建立相应的包含运动学自由度的构件有限元模型，将各构件有限元模型根据其驱动关节的装配关系生成多自由度空间机构的包含运动学自由度的装配体有限元模型；S3：根据多自由度空间机构点位工作动作的运动反解来确定各驱动环节所需执行位移，并确定各驱动环节所采用的参数化运动函数；S4：将所述各驱动环节的参数化运动函数作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的装配体有限元模型中；S5：根据所述多自由度空间机构机构的几何非线性有限元模型和参数化运动函数边界条件，获得多自由度空间机构机构中的各构件子模型的运动仿真信息，并进而获得所述振动测量点相对于终止理想位置的相对位移、速度信息；S6：根据各振动测量点处的相对位移、速度信息来实时判断多自由度空间机构是否满足最终定位精度要求，重复步骤S5，直至满足定位精度要求，并获取该终止时刻与运动规划终止时刻之间的所用残余振动衰减时间长度；S7：将残余振动衰减时间以及运动驱动时间求和得到整体运动定位时间，并将整体运动时间最小化作为优化目标；S8：若通过迭代收敛准则可以判定整体运动时间为最小值时，则对应迭代过程中的运动规划参数为最优参数；若整体运动时间不是最小值，则基于梯度优化算法计算运动参数的优化搜索方向与搜索步长，并更新步骤S3中的参数化运动函数，重复步骤S3‑S7进行迭代计算，直至找到迭代过程中运动规划参数的最优参数。...

【技术特征摘要】
1.一种多自由度空间机构运动规划方法，其特征在于，包括步骤：S1：根据多自由度空间机构的自由度合成关系将多自由度空间机构模型分拆为若干单自由度的构件子模型，其中每个构件子模型与下一连接层次的构件子模型的连接关系位置为振动测量点；S2：根据各构件子模型的几何信息，建立相应的包含运动学自由度的构件有限元模型，将各构件有限元模型根据其驱动关节的装配关系生成多自由度空间机构的包含运动学自由度的装配体有限元模型；S3：根据多自由度空间机构点位工作动作的运动反解来确定各驱动环节所需执行位移，并确定各驱动环节所采用的参数化运动函数；S4：将所述各驱动环节的参数化运动函数作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的装配体有限元模型中；S5：根据所述多自由度空间机构机构的几何非线性有限元模型和参数化运动函数边界条件，获得多自由度空间机构机构中的各构件子模型的运动仿真信息，并进而获得所述振动测量点相对于终止理想位置的相对位移、速度信息；S6：根据各振动测量点处的相对位移、速度信息来实时判断多自由度空间机构是否满足最终定位精度要求，重复步骤S5，直至满足定位精度要求，并获取该终止时刻与运动规划终止时刻之间的所用残余振动衰减时间长度；S7：将残余振动衰减时间以及运动驱动时间求和得到整体运动定位时间，并将整体运动时间最小化作为优化目标；S8：若通过迭代收敛准则可以判...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志军，白有盾，陈新，吴柏生，高健，贺云波，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44