机器人外部主动重力补偿系统及仿真验证方法技术方案

本发明专利技术公开了一种机器人外部主动重力补偿系统及仿真验证方法，包括重力补偿装置和重力补偿绳索，所述重力补偿装置的施力端连接所述重力补偿伸缩的一端，所述重力补偿绳索的另一端与串联机器人的施力端连接，所述串联机器人的施力端同时连接末端负载。实现使用小负载机器人完成大负载任务。依据机器人与重力补偿装置结构，基于旋量理论建立运动学模型，使用牛顿

【技术实现步骤摘要】
机器人外部主动重力补偿系统及仿真验证方法


[0001]本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种机器人外部主动重力补偿系统及仿真验证方法。

技术介绍

[0002]制造行业与建筑行业经常需要控制大质量零部件完成码放或装配作业，例如住宅建筑中砌墙作业、大质量零件码放装配等大负载移动作业，其中大部分重复性操作可以使用六自由度机器人替代人工。与人工操作相比，使用六自由度机器人可以提高重复性、精度与速度。但是现有的机器人存在一些缺陷，例如传统六轴工业机器人的负载自重比一般小于0.15，大负载作业需要使用价格昂贵的大负载机器人，且因为自重较大无法移动，只能固定使用，无法替代上述场景下的人工操作。如何增加机器人的负载自重比，使用小负载机器人完成大负载工作，提高机器人移动作业能力是推广机器人应用场景的重要研究方向。
[0003]在上述工作场景中，很多任务多关节串联机器人以低速运行，在这种情况下，机器人本体和工作负载的重力扭矩通常远大于动态扭矩，关节电机输出力矩大部分用来克服的重力的影响。所以可以通过设计重力补偿装置降低机器人关节电机的负载力矩，提高机器人的负载能力，也可以实现相同末端负载时使用小型的关节电机，进而降低机器人自重。
[0004]重力补偿基于能量利用方式可以分为被动重力补偿与主动重力补偿。在码垛机器人常用的配重平衡方法中，重力势能在机械手的结构和配重之间进行交换，提高了系统的能量利用效率，降低了关节扭矩需求，但是该方法增大了机器人质量与惯量，降低了关节响应能力。Juan Carlos Cambera通过弹簧重力补偿装置，降低了机器人部分关节轴的负载，但这种方法对末端关节补偿效果较差，不适用于六轴机器人末端大质量负载的重力补偿。Yang Zhang等设计的外部主动重力补偿装置通过增加额外的辅助执行器实现重力补偿，但是由于协同控制问题，只能实现末端负载的平面运动重力补偿。
[0005]带有主动重力补偿的系统控制需要使用动力学仿真进行效果验证，但是现有机器人刚体动力学仿真缺少对被动关节与绳索传动的仿真支持，无法应用于主动重力补偿系统的控制效果仿真验证。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种机器人外部主动重力补偿系统及仿真验证方法。
[0007]本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：
[0008]本专利技术包括重力补偿装置和重力补偿绳索，所述重力补偿装置的施力端连接所述重力补偿伸缩的一端，所述重力补偿绳索的另一端与串联机器人的施力端连接，所述串联机器人的施力端同时连接末端负载。
[0009]所述机器人外部主动重力补偿系统的控制与仿真验证方法包括以下步骤：
[0010]S1：根据机器人构型建立运动学模型，以1轴2轴交点为世界坐标系原点构建运动
学参数：v＝-w
×
r；其中：v为旋量轴对原点的矩；w为旋量轴单位矢量，r为轴线上任一点的位置矢量；
[0011]根据机器人模型以及结构参数，采用基于指数积的牛顿欧拉递推方法，建立串联机器人的动力学方程：
[0012][0013]其中τ表示机器人的关节力矩，M(q)为机器人质量矩阵，为包含科里奥利和向心力矩的向量，G(q)为包含重力力矩的向量，为作用于机器人上的外力和外力矩，是关节角度、角速度、角加速度；q可由机器人关节电机编码器获得，通过对q差分和滤波得到；
[0014]S2：重力补偿机构建模：以平面双关节机械臂模型为基础，使用旋量方法建立运动学方程，以机器人1轴2轴交点为世界坐标系原点；
[0015]根据重力补偿机构模型以及结构参数，采用基于指数积的牛顿欧拉递推方法，考虑关节摩擦，建立动力学方程：
[0016][0017]其中其中M2(q2)为连杆质量矩阵，为包含科里奥利和向心力矩的向量，为关节内摩擦，为作用于机器人上的外力和外力矩，平面结构不考虑重力影响；是关节角度、角速度、角加速度；为简化模型方便仿真与计算，关节摩擦模型建立为库伦摩擦模型：
[0018][0019]S3：在机器人与重力补偿装置组成的闭链结构中，机器人带动负载实现目标动作；所以由机器人关节角度q与速度借助雅克比矩阵计算负载空间位置与速度；
[0020]x1＝f
fkin
(q1)
[0021][0022]其中，f
fkin
为机器人的正解函数，J
robot
为机器人当前位姿的雅克比矩阵在闭链结构中，重力补偿装置末端位置可以由负载位置大致确定，所以作为重力补偿装置动力学函数的输入，依据结构关系计算得到重力补偿装置的位置x2、速度进一步反解获得关节角度与速度：
[0023]q2＝f
ik2
(x2)
[0024][0025]其中，f
ik2
为重力补偿装置的反解函数，J2为重力补偿装置雅克比矩阵；
[0026]通过上述方式计算获得的重力补偿装置的关节角度与速度存在误差，估计重力补偿装置水平方向的力矩：
[0027][0028]由水平方向力矩与重力补偿力矩可以计算出机器人末端由于重力补偿产生的外
部作用力
[0029]本专利技术的有益效果在于：
[0030]本专利技术是一种机器人外部主动重力补偿系统及仿真验证方法，与现有技术相比，本专利技术使用具有重力补偿装置的轻型机器人完成大质量负载的协同系统，研究了重力补偿装置恒力矩重力补偿控制方法，提出了补偿力矩的计算方法，可以有效降低关节负载，实现轻型机器人大质量负载下完成目标动作，有效拓展了机器人的应用场景。
附图说明
[0031]图1是本专利技术的机器人与重力补偿系统传动链示意图；
[0032]图2是机器人关节旋量示意图
[0033]图3是直线轨迹关节角度与速度曲线图；a为关节角度-时间曲线；b为关节速度-时间曲线；
[0034]图4是重力补偿仿真流程图；
[0035]图5是同步仿真力矩曲线图；(a)第1轴力矩对比；(b)第2轴力矩对比；(c)第3轴力矩对比；(d)第4轴力矩对比；(e)第5轴力矩对比；(f)第6轴力矩对比。
具体实施方式
[0036]下面结合附图对本专利技术作进一步说明：
[0037]如图1所示：本专利技术包括重力补偿装置2和重力补偿绳索3，所述重力补偿装置2的施力端连接所述重力补偿绳索2的一端，所述重力补偿绳索2的另一端与串联机器人1的施力端连接，所述串联机器人1的施力端同时连接末端负载4。
[0038]在使用小型6R机器人完成大质量零部件装配任务中，为保证机器人动作自由度，对末端大质量负载使用外部重力补偿系统直接进行重力补偿。机器人与重力补偿系统结构如图1所示。使用长度可变的带驱动的绳索连接机器人末端与重力补偿机构末端，为机器人末端提供重力补偿。
[0039]为保证重力补偿力矩方向，使用平面双关节装置利用被动关节保证绳索方向接近重力方向，被动关节无驱动无编码器。由于机器人末端允许Z向运动，为保证重力补偿效果本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人外部主动重力补偿系统，其特征在于：包括重力补偿装置和重力补偿绳索，所述重力补偿装置的施力端连接所述重力补偿绳索的一端，所述重力补偿绳索的另一端与串联机器人的施力端连接，所述串联机器人的施力端同时连接末端负载。2.一种机器人外部主动重力补偿系统的仿真验证方法，其特征在于：所述机器人外部主动重力补偿系统的控制与仿真验证方法包括以下步骤：S1：根据机器人构型建立运动学模型，以1轴2轴交点为世界坐标系原点构建运动学参数：v＝-w
×
r；其中：v为旋量轴对原点的矩；w为旋量轴单位矢量，r为轴线上任一点的位置矢量；根据机器人模型以及结构参数，采用基于指数积的牛顿欧拉递推方法，建立串联机器人的动力学方程：其中τ表示机器人的关节力矩，M(q)为机器人质量矩阵，为包含科里奥利和向心力矩的向量，G(q)为包含重力力矩的向量，为作用于机器人上的外力和外力矩，q是关节角度、角速度、角加速度；q可由机器人关节电机编码器获得，通过对q差分和滤波得到；S2：重力补偿机构建模：以平面双关节机械臂模型为基础，使用旋量方法建立运动学方程，以机器人1轴2轴交点为世界坐标系原点；根据重力补偿机构模型以及结构参数，采用基于指数积的牛顿欧拉递推方法，考虑关节摩擦，建立动...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋宝，刘永兴，唐小琦，周向东，肖千红，钟靖龙，郭艺璇，徐必业，王志成，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：