一种基于偏置板设计的重载机器人静态刚度辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种基于偏置板设计的重载机器人静态刚度辨识方法，包括推导重载机器人关节刚度辨识模型；对安装在重载机器人法兰盘末端的偏置板进行设计，推导出从重载机器人偏置板施加力点到重载机器人法兰盘中心点的偏置板运动学模型及力和力矩转换模型；对重载机器人进行位姿选取，在选取特定位姿下借助激光跟踪仪测量重载机器人法兰盘末端形变；采用最小二乘法，辨识出重载机器人关节刚度数值。本发明专利技术方法整体方案简单易实施，简化了法兰盘末端施加力的方式，保证了受力方向测量的精度，有利于提高重载机器人关节刚度辨识数值的精度，从而可提高重载机器人的控制精度和性能，对基于重载机器人的智能制造领域具有潜在的应用价值和经济效益。

A static stiffness identification method for heavy load robot based on offset plate design

The invention discloses a heavy-duty robot bias board design based on static stiffness identification method, including the derivation of heavy robot joint stiffness identification model; to design and installation in offset plate flange at the end of the heavy load robot, force applied from heavy-duty robot offset plate to heavy haul robot flange center point offset plate kinematics model and force and the torque converter model is derived; for heavy-duty robot pose selection, using laser tracker and heavy-duty robot flange end deformation in the selected position; by using the least square method, identify overloaded robot joint stiffness values. The overall scheme of the invention method is simple and easy to implement, simplified the flange end of the applied force, to ensure the accuracy of measurement by the direction of the force, is conducive to the improvement of numerical heavy-duty robot joint stiffness identification accuracy, which can improve the control precision and performance of heavy-duty robot, intelligent robot based on heavy manufacturing field with potential applications the value and economic benefits.

【技术实现步骤摘要】
一种基于偏置板设计的重载机器人静态刚度辨识方法
本专利技术涉及重载机器人的搬运、搅拌摩擦焊接方法，特别是涉及一种基于偏置板装置的重载机器人关节刚度辨识方法。
技术介绍
现代工业机器人模型看作刚性机械系统是一种不合实际的假设。柔性主要来自两个个方面：第一关节柔性，其主要由于齿轮、轴、传动元件和减速器等工件柔性；第二连杆柔性，由于机械手臂具有距离长，结构不完全是刚体等带来连杆柔性。两者相比较，工业机器人各个关节变形带来的误差是影响工业机器人精度主要因素。工业机器人末端在外力作用下，导致工业机器人末端与实际要求轨迹相去甚远，这种影响对于重载机器人来说更为明显。关节刚度辨识实验主要有两种实验方法:静载荷法和动载荷法。静载荷法就是在工业机器人末端施加外作用力，通过测量出末端微小形变量，将这些微小形变数据采用一定算法进行处理，进而辨识出工业机器人关节刚度。动载荷法是在机器人末端测量振动信号，辨识出机器人惯性等动力学参数。关节辨识结果为机器人控制提供了参考。现有重载机器人静载荷方法辨识重载工业机器人关节刚度辨识方法在实际应用中存在许多问题，主要体现在刚度辨识实验较为复杂，难于实施，特别是由于直接在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于偏置板设计的重载机器人静态刚度辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)通过将重载机器人关节形变以线性弹簧近似代替，推导出重载机器人关节刚度辨识模型；(2)对安装在重载机器人法兰盘末端的偏置板进行设计，在此基础上推导出从重载机器人偏置板施力点到重载机器人法兰盘中心点的偏置板运动学模型及力和力矩转换模型；(3)对重载机器人进行位姿选取，在选取特定位姿下测量重载机器人法兰盘末端形变；(4)采用最小二乘法，结合测量数据，辨识出重载机器人关节刚度矩阵数值。

【技术特征摘要】
1.一种基于偏置板设计的重载机器人静态刚度辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)通过将重载机器人关节形变以线性弹簧近似代替，推导出重载机器人关节刚度辨识模型；(2)对安装在重载机器人法兰盘末端的偏置板进行设计，在此基础上推导出从重载机器人偏置板施力点到重载机器人法兰盘中心点的偏置板运动学模型及力和力矩转换模型；(3)对重载机器人进行位姿选取，在选取特定位姿下测量重载机器人法兰盘末端形变；(4)采用最小二乘法，结合测量数据，辨识出重载机器人关节刚度矩阵数值。2.根据权利要求1所述的一种基于偏置板设计的重载机器人静态刚度辨识方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：(11)建立重载机器人笛卡尔刚度矩阵机器人刚度矩阵是机器人末端在受到力和力矩作用时抵抗变形的能力，在机器人末端施加力F＝[Fx,Fy,Fz,Tx,Ty,Tz]后，机器人末端产生的形变为ΔX＝[dx,dy,dz,δx,δy,δz]T，其中Fx,Fy,Fz表示机器人末端x，y，z方向的受力，Tx,Ty,Tz表示机器人末端x，y，z方向的力矩，dx,dy,dz表示机器人末端x，y，z方向的变形位移，δx,δy,δz表示机器人末端x，y，z方向的变形偏转，关系式简写为F＝K·ΔX，其中，K是6×6矩阵，为机器人末端笛卡尔刚度矩阵；(12)建立重载机器人关节刚度矩阵机器人关节刚度矩阵描述了机器人各个关节在关节力矩作用下抵抗变形的能力，机器人关节刚度满足的关系式为τ＝Kθ·Δθ，其中，τ表示机器人关节力矩，Δθ表示机器人关节变形，Kθ表示机器人关节刚度；(13)推导重载机器人笛卡尔刚度矩阵和重载机器人关节刚度矩阵关系在静态平衡情况下，结合机器人关节力矩τ与机器人末端施加的外力F之间的关系和机器人末端变形ΔX与机器人关节变形Δθ，最终得到机器人关节刚度矩阵向笛卡尔刚度矩阵的关系为：K＝J-TKθJ-1(1)式(1)为机器人关节刚度矩阵向笛卡尔刚度矩阵的映射，其中J表示雅可比矩阵；(14)建立重载机器人关节刚度辨识模型机器人关节刚度矩阵与笛卡尔刚度矩阵关系式变换为：机器人的柔度矩阵为：其中表示第j关节刚度数值的逆。可得：其中Cj＝Cθj为第j关节柔度数值；Jij表示雅克比矩阵第i行第j列数值；Fi表示广义力；将式(4)表示为如下的矩阵形式：记为：SCθ＝ΔX(6)其中，可得：Cθ＝S-1ΔX(7)鉴于ΔX的末端变形的偏转往往难于测量且其数值相对较小，假设机器人末端x，y，z方向的变形偏转为零，式(5)变为如下形式：3.根据权利要求1所述的一种基于偏置板设计的重载机器人静态刚度辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：(21)设计偏置板偏置板一端安装在重载机器人法兰盘，另一端为带有力传感器的施力点；(22)偏置板运动学建模通过建立在偏置板上的坐标系，推导出齐次变换矩阵来描述从机器人末端法兰盘到偏置板施力点的位姿关系；6TForce表示从机器人法兰盘末端到偏置板施力点的位姿变换矩阵，Rot(Z,45°)表示绕Z轴旋转45度，Trans(0,0,-40)表示沿着Z轴方向平移-40毫米，其他情况依次类推；式(9)是根据偏置板工装图尺寸，在建立坐标系之后表达式(9)表示从法兰盘末端到偏置板施力点的位姿变换；(23)偏置板力和力矩建模。4.根据权利要求3所述的一种基于偏置板设计的重载机器人静态刚度辨识方法，其特征在于，所述步骤(23)包括以下步骤：1)偏置板与法兰盘坐标系力和力矩建模根据虚功原理，作用在物体上的力和力矩f将使物体产生被称...

【专利技术属性】
技术研发人员：周波，韩帅，孟正大，马旭东，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32