一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法，包括步骤：1)结合轻载关节型并联机器人的整体结构特点、运动特性、受力特性及惯量属性，选择被简化的运动部件，通过简化其动力学模型将机器人的动力学分析简化为分别对机器人两部分运动部件的动力学分析；2)获取第一部分、第二部分中各个运动部件的动力学特性，并确定二者之间的动力学关联；3)对第一部分、第二部分分别建立动力学模型；4)根据两部分之间的动力学耦合关系，求得机器人整体动力学模型。与现有技术相比，本发明专利技术适用于与本并联机器结构相似，动力学分布特点相似的并联机器人的动力学建模，建模思路清晰，计算量适中，实施容易，使用便利。

A control method of light load joint parallel robot based on dynamic model

【技术实现步骤摘要】
一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法
本专利技术涉及轻载关节型并联机器人建模
，尤其是涉及一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法。
技术介绍
机器人技术涉及广泛，其中动力学建模是关键技术之一，在机器人开发的不同阶段都得到了深入的应用。在机械本体设计阶段，基于动力学模型的分析，有助于优化机器人各杆件的质量分布；对于电气选型，例如关节驱动电机扭矩的定型，伺服驱动器功率的定型，动力学分析的结果都具备重要的指导意义；在基于动力学模型的高级控制算法的设计阶段，动力学模型的建立更是该阶段所有工作的前提和基础，是围绕提升机器人运动性能工作的关键步骤。机器人系统是一个复杂的系统，完整精确的动力学模型的建立是一个几乎不可能的任务。不同的控制策略对模型准确度的依赖程度不同，有些控制策略要求动力学模型具有极高的准确度，有些控制策略本身已经考虑了模型的不准确性，即理论模型与实际被控对象的差异性，在对被控对象的控制任务中可以表现出满意的控制效果。这一类控制策略对模型的非完全准确性已经具备了包容性。另外在机械设计阶段，尽管动力学模型不是完全准确，然而基于它的分析结果仍具有重要的指导意义。从上述方面来说，动力学建模可以基于适当的假设做简化，然后对结果进行验证，以证明所做的假设和简化是合理的，对结果产生的影响足够小。不同的机械结构，简化的思路有所差别，有对不同的机器人结构，尤其对于轻载关节型并联机构，提供一种合理且实用的简化动力学模型具有十分重要的研究价值和提高应用的可行性。
技术实现思路
<br>本专利技术的目的是提供一种结构简便、实施方便的基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法，包括以下步骤：S1：结合轻载关节型并联机器人的整体结构特点、运动特性、受力特性及惯量属性，选择被简化的运动部件，通过简化其动力学模型将机器人的动力学分析简化为分别对机器人两部分运动部件的动力学分析。优选地，将轻载关节型并联机器人的从动臂选为简化的运动部件，即基于从动臂轻质的特性，将其中一根从动臂的质量计算到第一部分中，将另一根从动臂的质量计算到第二部分中。通过简化从动臂的动力学分析，将机器人整体的动力学分析按照部件分割为两个部分，假设轻载关节型并联机器人的从动臂为不可拉伸、伸缩的轻质杆件，以从动臂的几何尺寸作为空间几何约束，将从动臂一端的电机、减速器、主动臂作为轻载关节型并联机器人的第一部分，将另一端的动平台、TCP末端作为轻载关节型并联机器人的第二部分，并利用从动臂的运动和空间位置关系约束两个部分之间的运动学和动力学关系。S2：获取第一部分、第二部分中各个运动部件的动力学特性，并确定两部分之间的动力学关联。优选地，第一部分中各个运动部件的动力学特性包括电机输出扭矩、电机和减速器的转动惯量、主动臂质量、主动臂关于关节轴线的转动惯量、关节处摩擦、简化到主动臂末端的从动臂组件的一半质量以及来自从动臂对主动臂施加的力。优选地，第二部分中各个运动部件的动力学特性包括动平台的各杆件质量和转动惯量，动平台负载质量和转动惯量，简化到动平台的从动臂组件的另一半质量，以及从动臂对动平台施加的力从动臂施加的力及动平台的等效惯量矩阵。S3：根据第一部分中各个运动部件的动力学特性及受力特性，建立第一部分的动力学模型。优选地，采用牛顿运动定律结合哥伦布摩擦模型和黏性摩擦模型的方法建立第一部分的动力学模型。第一部分的动力学模型的表达式为：式中：Ia为主动臂关节处的等效惯量，包括主动臂关于关节轴线的转动惯量和简化到主动臂末端的一半从动臂组件的质量关于关节轴线的转动惯量，为关节摩擦，G(q)为抵消重力所需的扭矩消耗，F为从动臂施加的力，为雅克比矩阵，τ为关节输出矩阵，q为主动臂转动关节的位置，为主动臂转动关节的速度，为主动臂转动关节的加速度。假设轻载关节型并联机器人包括四个主动臂，将关节摩擦简化为哥伦布摩擦和黏性摩擦，则有：式中，q1、q2、q3、q4分别为四个主动臂的位置，fc为关节处哥伦布摩擦系数，fv为关节处黏性摩擦系数，Fc为四个关节处哥伦布摩擦力的向量形式，Fv为四个关节处黏性摩擦力的矩阵形式；抵消重力所需的扭矩消耗G(q)的表达式为：式中，m1为单个主动臂的质量，Lc为主动臂质心到关节转动轴线的距离，m2为从动臂组件中单件的质量，即从动臂组件的一半质量，L为主动臂的长度尺寸，g为地表重力加速度。S4：根据第二部分中各个运动部件的动力学特性及受力特性，建立第二部分的动力学模型。优选地，采用牛顿欧拉法对第二部分进行动力学建模，并根据拉格朗日方法求解动平台作为第二部分整体的等效质量和等效惯量。第二部分的动力学模型的表达式为：式中，为雅克比矩阵，F为从动臂施加的力，Mn为动平台的等效惯量矩阵，aE为TCP在机器人笛卡尔坐标系{O，x，y，z}中的加速度。动平台的等效惯量矩阵Mn的表达式为：meq＝mpp+4×m2其中，mpp为动平台和负载的等效质量，Ipp为动平台和负载的等效转动惯量。S5：获得第一部分与第二部分的动力学模型后，通过二者的运动学和动力学耦合关系，求得机器人整体的动力学模型为：：S6：根据机器人整体动力学模型对轻载关节型并联机器人的动作进行控制。与现有技术相比，本专利技术基于运动与受力分析基础上对轻载关节型并联机器人的动力学进行简化，并利用了牛顿欧拉法和拉格朗日法的动力学等效质量与等效惯量进行动力学建模，本专利技术方法思路清晰，结构简练，直观明确，计算量适中，实施容易，使用便利。附图说明图1为某轻载关节型并联机器人的机械本体结构示意图；图2为本专利技术中动力学求解过程的流程示意图；图3为本专利技术实施例中机器人的某支链从动臂运动和受力分析示意图；图4为本专利技术实施例中单支链动力学建模简化方法的过程示意图；图5为本专利技术实施例中的动平台机构结构示意图；图6为本专利技术实施例中的动平台杆件惯性参数表示及运动分析图；图7为本专利技术实施例中用于动力学仿真和基于动力学模型计算所采用的TCP轨迹图；图8为本专利技术实施例中轻载关节型并联机器人的动力学解算正确性验证结果图；图1中标号所示：1、静平台，2、主动臂，3、从动臂组件，4、动平台。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例本专利技术涉及一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法，包括以下步骤：步骤一、获取并分析并联机器人整体结构特点、整体的运动和受力特性、各个部件的运动特性以及其惯性参数相对大小，选择被简化的运动部件，通过简化其动力学模型将机器人的动力学分析简化为分别对机器人两部分运动部件的动力学分析；获取第一部分、第二部分中各个运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n1)结合轻载关节型并联机器人的整体结构特点、运动特性、受力特性及惯量属性，选择简化的运动部件，通过简化其动力学模型将机器人的动力学分析简化为分别对机器人两部分运动部件的动力学分析；/n2)获取第一部分、第二部分中各个运动部件的动力学特性，并确定两部分之间的动力学关联；/n3)根据第一部分中各个运动部件的动力学特性及受力特性，建立第一部分的动力学模型；/n4)根据第二部分中各个运动部件的动力学特性及受力特性，建立第二部分的动力学模型；/n5)根据两部分之间的动力学耦合关系，获取机器人整体动力学模型；/n6)根据机器人整体动力学模型对轻载关节型并联机器人的动作进行控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)结合轻载关节型并联机器人的整体结构特点、运动特性、受力特性及惯量属性，选择简化的运动部件，通过简化其动力学模型将机器人的动力学分析简化为分别对机器人两部分运动部件的动力学分析；
2)获取第一部分、第二部分中各个运动部件的动力学特性，并确定两部分之间的动力学关联；
3)根据第一部分中各个运动部件的动力学特性及受力特性，建立第一部分的动力学模型；
4)根据第二部分中各个运动部件的动力学特性及受力特性，建立第二部分的动力学模型；
5)根据两部分之间的动力学耦合关系，获取机器人整体动力学模型；
6)根据机器人整体动力学模型对轻载关节型并联机器人的动作进行控制。


2.根据权利要求1所述的一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法，其特征在于，选择轻载关节型并联机器人的从动臂作为简化的运动部件，即基于从动臂轻质的特性，将其中一根从动臂的质量规划至第一部分的一部分进行计算，将另一根从动臂的质量规划至第二部分的一部分进行计算。


3.根据权利要求2所述的一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法，其特征在于，将机器人的动力学分析简化为分别对机器人两部分运动部件的动力学分析的具体内容为：
通过简化从动臂的动力学分析，将机器人整体的动力学分析按照部件分割为两个部分，假设轻载关节型并联机器人的从动臂为不可拉伸、伸缩的轻质杆件，以从动臂的几何尺寸作为空间几何约束，将从动臂一端的电机、减速器、主动臂作为轻载关节型并联机器人的第一部分，将另一端的动平台、TCP末端作为轻载关节型并联机器人的第二部分，并利用从动臂的运动和空间位置关系约束两个部分之间的运动学和动力学关系。


4.根据权利要求3所述的一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法，其特征在于，第一部分中各个运动部件的动力学特性包括电机输出扭矩、电机和减速器的转动惯量、主动臂质量、主动臂关于关节轴线的转动惯量、关节处摩擦、简化到主动臂末端的从动臂组件的一半质量以及来自从动臂对主动臂施加的力。


5.根据权利要求4所述的一种基于动力学模型的轻载关节型并联机器人控制方法，其特征在于，第二部分中各个运动部件的动力学特性包括动平台的各杆件质量和转动惯量，动平台负载质量和转动惯量，简化到动平台的从动臂组件的另一半质量，以及从动臂对动平台施加的力从动臂施加的力及动平台的等效惯量矩阵。

【专利技术属性】
技术研发人员：袁晗，顾文昊，肖武云，徐丽，杨君娟，
申请(专利权)人：上海沃迪智能装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31