串联机器人的迭代计算方法及串联机器人技术

本发明专利技术公开了一种串联机器人的迭代计算方法及串联机器人，该方法包括：针对末端关节，根据其前一关节对它的作用力及所受外力进行分析，根据分析结果计算前一关节对它的作用力；在个别的于末端关节之前的每一关节，均根据前一关节对它的作用力及其对后一关节的作用力进行分析，根据分析结果计算前一关节对它的作用力；在得到前一关节对它的作用力后，获取每一关节的关节角速度和关节角加速度，每一关节均根据前一关节对它的作用力、关节角速度及关节角加速度计算该关节对应的力矩；将关节对应的力矩投影到关节内电机，得到当前时刻应施加的力矩。本发明专利技术算法结构简单，代码量少，提高末端的跟踪精度，较少跟踪误差。

【技术实现步骤摘要】
串联机器人的迭代计算方法及串联机器人
本专利技术涉及机器人
，具体而言，涉及一种串联机器人的迭代计算方法及串联机器人。
技术介绍
串联机器人因为具有高非线性和高耦合性，其动力学问题受到广泛的关注，一个n自由度的串联机器人的全动力学方程式是：其中，为关节角速度，为关节角加速度，τ为各关节的电机转矩，JT为串联机器人末端关节质心的雅克比矩阵的转置矩阵，F为串联机器人末端关节所受外力，M为串联机器人质量惯量矩阵，C为串联机器人速度项矩阵，G为串联机器人重力项矩阵。上述的全动力学方程，求解各关节的电机转矩需要首先获得M，C，G等矩阵，然而由于串联机器人的高非线性和高耦合性，计算M，C，G等矩阵的过程非常复杂，算法运行效率不高，运算时间比较长，在串联机器人的自由度较多以后，很难将它应用于1毫秒周期的硬实时控制系统。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术实施例的目的在于提供一种串联机器人的迭代计算方法及串联机器人，以解决现有技术的不足。根据本专利技术的一个实施方式，提供一种串联机器人的迭代计算方法，所述串联机器人包括依次串联的多个关节，每一关节均包括电机和所述电机带动的连杆，该方法包括：针对末端关节，根据其前一关节对它的作用力及其所受外力进行受力分析，根据分析结果计算该末端关节受到的前一关节对它的作用力；针对所述末端关节之前的每一关节，均根据其前一关节对它的作用力及其对后一关节的作用力进行受力分析，根据分析结果计算该关节受到的前一关节对它的作用力；在得到前一关节对它的作用力后，获取每一关节的关节角速度和关节角加速度，每一关节均根据所述前一关节对它的作用力、该关节的关节角速度及关节角加速度计算该关节对应的力矩；将该关节对应的力矩投影到该关节对应电机，得到该电机在当前时刻应施加的力矩，以使所述电机根据该应施加的力矩控制该关节进行运动。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，通过下式计算末端关节对应的力矩：其中，Nn-1,n为第n个关节即末端关节对应的力矩，In为末端关节质心坐标系的转动惯量，为第n个关节的关节角速度，为第n个关节的关节角加速度，N外为外界对所述串联机器人末端关节的外力矩，Fn-1,n为第i-1个关节对第i个关节的作用力，r1为Fn-1,n到第i个关节质心的矢量，F外为外界对串联机器人末端关节的外力，r2为F外到第i个关节质心的矢量。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，通过下式计算末端关节之前每一关节对应的力矩：其中，Nn-2,n-1为第n-1个关节对应的力矩，In-1为第n-1个关节即末端关节质心坐标系的转动惯量，为第n-1个关节的关节角速度，为第n-1个关节的关节角加速度，N外为外界对所述串联机器人末端关节的外力矩，Fn-2,n-1为第i-2个关节对第i-1个关节的作用力，r3为Fn-2,n-1到第i-1个关节质心的矢量，Fn-1,n为第i-1个关节对第i个关节的作用力，r4为Fn-1,n到第i-1个关节质心的矢量。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，还包括：针对串联机器人的每个关节构建一结构体数组，所述结构体数组包括关节属性信息及根据所述关节属性信息计算得到的关节运动信息，其中，所述关节运动信息包括关节角速度和关节角加速度。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，所述关节属性信息包括关节中电机旋转轴的空间矢量及关节中电机转角；所述方法还包括：根据所述关节属性信息计算关节角速度；其具体包括：根据所述关节中电机旋转轴的空间矢量及所述关节中电机转角计算该关节的在世界坐标系的姿态；根据该关节的在世界坐标系的姿态计算关节角；通过下式将所述关节角对时间进行微分得到关节角速度：其中，为关节角速度，θ为关节角，为末端关节质心的雅克比矩阵的逆矩阵，V为末端关节的速度。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，所述方法还包括：通过下式计算关节角加速度：其中，为关节角加速度，A为末端关节质心加速度，为对所述末端关节质心的雅克比矩阵求导后的矩阵。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，通过以下步骤计算末端关节质心加速度：根据该末端关节的关节角速度及末端关节坐标系原点的雅克比矩阵得到末端关节坐标系原点在世界坐标系的速度；根据所述末端关节坐标系原点在世界坐标系的速度得到该末端关节质心在世界坐标系的速度；对所述末端关节质心在世界坐标系的速度对时间进行求导，得到该末端关节质心加速度。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，通过下式将所述关节对应的力矩投影到该关节内电机旋转轴：τn＝Zn·Nn-1,n其中，τn为第n个关节内电机在当前时刻应施加的力矩，Zn为第n个关节内电机旋转轴矢量。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，每隔预设时间对各关节的关节属性信息进行初始化，并根据初始化的关节属性信息计算所述关节运动信息。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，所述关节质心的雅克比矩阵通过下式获得：其中，Jj为第i个关节质心的雅克比矩阵，J1i为第i个关节质心对第j个关节质心的线速度微分，J1i＝Zi×Di-j，Zi为第i个关节内电机的旋转轴矢量，Di-1为第i个电机到第j个关节质心的位置矢量，J2i为第i个关节质心对第j个关节质心的角速度微分，J2i＝Zi，i＝j。在上述的串联机器人的迭代计算方法中，所述关节坐标系原点的雅克比矩阵通过下式获得：其中，Gj为第i个关节坐标系原点的雅克比矩阵，G1i为第i个关节坐标系原点对第j个关节坐标系原点的线速度微分，G1i＝Zi×D1i-j，Zi为第i个电机的旋转轴矢量，D1i-j为第i个电机到第j个关节关节坐标系原点的位置矢量，G2i为第i个关节坐标系原点对第j个关节坐标系原点的角速度微分，G2i＝Zi，i＝j。根据本专利技术的另一个实施方式，提供一种串联机器人的迭代计算装置，所述串联机器人包括依次串联的多个关节，每一关节均包括电机和所述电机带动的连杆，该装置包括：第一分析计算模块，用于针对末端关节，根据其前一关节对它的作用力及其所受外力进行受力分析，根据分析结果计算该末端关节受到的前一关节对它的作用力；第二分析计算模块，用于针对所述末端关节之前的每一关节，均根据其前一关节对它的作用力及其对后一关节的作用力进行受力分析，根据分析结果计算该关节受到的前一关节对它的作用力；力矩计算模块，用于在得到前一关节对它的作用力后，获取每一关节的关节角速度和关节角加速度，每一关节均根据所述前一关节对它的作用力、该关节的关节角速度及关节角加速度计算该关节对应的力矩；投影模块，用于将该关节对应的力矩投影到该关节内电机，得到该关节内电机在当前时刻应施加的力矩，以使所述关节内电机根据该应施加的力矩控制该关节进行运动。根据本专利技术的再一个实施方式，提供一种串联机器人，所述串联机器人包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述串联机器人执行上述的串联机器人的迭代计算方法或者上述的串联机器人的迭代计算装置中的各个模块的功能。根据本专利技术的又一个实施方式，提供一种计算机可读存储介质，其存储有所述串联机器人中所用的所述计算机程序。本公开的实施例提供的技术方案可以包括如下有益效果：本专利技术中一种串联机器人的迭代计算方法及串联机器人，通过逆向动力学方式，从末端关节开始，依次向前求解个各个关节所需的力矩和它们之间的相互作用力，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联机器人的迭代计算方法，其特征在于，所述串联机器人包括依次串联的多个关节，每一关节均包括电机和所述电机带动的连杆，该方法包括：针对末端关节，根据其前一关节对它的作用力及其所受外力进行受力分析，根据分析结果计算该末端关节受到的前一关节对它的作用力；针对所述末端关节之前的每一关节，均根据其前一关节对它的作用力及其对后一关节的作用力进行受力分析，根据分析结果计算该关节受到的前一关节对它的作用力；在得到前一关节对它的作用力后，获取每一关节的关节角速度和关节角加速度，每一关节均根据所述前一关节对它的作用力、该关节的关节角速度及关节角加速度计算该关节对应的力矩；将该关节对应的力矩投影到该关节对应电机，得到该电机在当前时刻应施加的力矩，以使所述电机根据该应施加的力矩控制该关节进行运动。

【技术特征摘要】
1.一种串联机器人的迭代计算方法，其特征在于，所述串联机器人包括依次串联的多个关节，每一关节均包括电机和所述电机带动的连杆，该方法包括：针对末端关节，根据其前一关节对它的作用力及其所受外力进行受力分析，根据分析结果计算该末端关节受到的前一关节对它的作用力；针对所述末端关节之前的每一关节，均根据其前一关节对它的作用力及其对后一关节的作用力进行受力分析，根据分析结果计算该关节受到的前一关节对它的作用力；在得到前一关节对它的作用力后，获取每一关节的关节角速度和关节角加速度，每一关节均根据所述前一关节对它的作用力、该关节的关节角速度及关节角加速度计算该关节对应的力矩；将该关节对应的力矩投影到该关节对应电机，得到该电机在当前时刻应施加的力矩，以使所述电机根据该应施加的力矩控制该关节进行运动。2.根据权利要求1所述的串联机器人的迭代计算方法，其特征在于，通过下式计算末端关节对应的力矩：其中，Nn-1,n为第n个关节即末端关节对应的力矩，In为末端关节质心坐标系的转动惯量，为第n个关节的关节角速度，为第n个关节的关节角加速度，N外为外界对所述串联机器人末端关节的外力矩，Fn-1,n为第i-1个关节对第i个关节的作用力，r1为Fn-1,n到第i个关节质心的矢量，F外为外界对串联机器人末端关节的外力，r2为F外到第i个关节质心的矢量。3.根据权利要求2所述的串联机器人的迭代计算方法，其特征在于，通过下式计算末端关节之前每一关节对应的力矩：其中，Nn-2,n-1为第n-1个关节对应的力矩，In-1为第n-1个关节即末端关节质心坐标系的转动惯量，为第n-1个关节的关节角速度，为第n-1个关节的关节角加速度，N外为外界对所述串联机器人末端关节的外力矩，Fn-2,n-1为第i-2个关节对第i-1个关节的作用力，r3为Fn-2,n-1到第i-1个关节质心的矢量，Fn-1,n为第i-1个关节对第i个关节的作用力，r4为Fn-1,n到第i-1个关节质心的矢量。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岳嵩，
申请(专利权)人：深圳市优必选科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44