并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法技术

本申请提出一种并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法，包括：基于机器人构型提取虚拟节点；根据定平台、末端点和机器人结构确定虚拟节点流的流动方向；根据虚拟节点流的流动方向传递、合并各接触或者零件的柔度等信息直到确定末端点的柔度矩阵。末端点的柔度矩阵的逆即为机器人的末端笛卡尔空间刚度矩阵。本申请克服了以往有限元分析法求解效率低、矩阵结构分析法求解精度低、虚拟铰链法依赖机器人结构在过约束或复合关节求解复杂的缺点，可以对机器人的刚度特性进行实时地量化描述，对机器人末端的刚度变形进行定量精确快速预测，对于机器人的构型综合、尺寸优化、力控制、静力学分析等领域都具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法
本申请属于机器人
，尤其涉及一种并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法。
技术介绍
并混联机构由于在精度、刚度和动力学性能等方面优于串联机构而受到学术界和工业界的广泛关注。在高速加工、强力组装等应用中需要高刚度和快速动态响应的情况下，应始终考虑末端的刚度矩阵，并且机器人的刚度是一个特别重要的性能因素。并混联机器人的末端笛卡尔空间刚度建模，就是对于任意机器人位姿，给出末端机器人执行器端的刚度或者柔度矩阵，它是机器人刚度性质的直接量化体现。末端笛卡尔空间刚度建模，通常需要兼具求解精度和求解效率，对于机器人的构型综合、尺寸优化、力控制、静力学分析等领域都具有重要意义。由于并混联机器人的位姿的改变，通常会引起相应末端笛卡尔空间刚度矩阵的变化，因此针对需求位姿快速给出高精度的末端刚度或柔度矩阵是具有一定复杂性的问题。
技术实现思路
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的一个目的在于提出一种并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法，可以解决现有技术中并混联机器人的末端笛卡尔空间刚度建模问题，从而更准确、快速地计算并混联机器人的末端刚度或柔度矩阵。为达上述目的，本申请一方面实施例提出了一种并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法，包括：基于所述并混联机器人的构型，提取针对所述并混联机器人的虚拟节点；根据所述并混联机器人之中的定平台、末端点和所述并混联机器人的结构，确定所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方向；根据所述虚拟节点、所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方向和所述虚拟节点所在的虚拟节点流的流动方法，使得柔度矩阵和被动位移信息从所述虚拟节点流的起点传递至末端节点，获取所述末端节点的柔度矩阵；根据所述末端节点的柔度矩阵，生成末端笛卡尔空间的刚度矩阵。可选地，在本申请一些实施例中，所述基于所述并混联机器人的构型，提取针对所述并混联机器人的虚拟节点，包括：根据第一原则和所述并混联机器人的构型，确定针对所述并混联机器人的虚拟节点，所述虚拟节点具有对应位置和物理表征含义；其中，所述第一原则包括：(i)存在接触的两个零件间，通过接触确定分别位于所述两个零件上的两个虚拟节点，所述两个虚拟节点代表接触在所述两个零件上分别对应的位置；(ii)所述并混联机器人的笛卡尔刚度矩阵式末端相对于固定位置的受力-形变关系，通过所述固定位置确定虚拟节点，表示位移恒为0的点；(iii)所述并混联机器人的末端点作为一个虚拟节点，代表最终需要确定刚度矩阵的节点。可选地，在本申请一些实施例中，所述根据所述并混联机器人之中的定平台、末端点和所述并混联机器人的结构，确定所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方向，包括：根据第二原则、所述并混联机器人之中的定平台、末端点和所述并混联机器人的结构，确定所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方向；其中，所述第二原则包括：(i)构成接触对的两个虚拟节点中，虚拟节点流从其中一个节点流动到另一个节点，流动的起点称为所述接触对的输入节点，流动的终点称为所述接触对的输出节点；(ii)零件中的虚拟节点中分为两部分节点，虚拟节点流从一部分节点流动到另一部分节点，流动起点的部分节点称为所述零件的输入节点，流动终点的部分节点称为所述零件的输出节点；(iii)代表所述并混联机器人固定位置的虚拟节点为虚拟节点流的起点，也是目标零件或者接触的输入节点，同理代表所述并混联机器人末端的虚拟节点为虚拟节点流的终点，也是目标零件或者接触的输出节点；(iv)虚拟节点流中不存在闭环。可选地，在本申请一些实施例中，所述虚拟节点所在的虚拟节点流的流动方法，包括：根据零件或者接触的柔度矩阵或者被动位移信息，通过输出节点替换对应的输入节点的过程，在所述过程中合并经过所述零件或者接触的所述柔度矩阵或者被动位移信息。在本申请实施例中，所述方法还包括：根据虚拟节点流流动经过的零件或者接触，将所述虚拟节点流的流动分为以下三类：(i)接触中的流动，其中，利用接触的输出节点替换输入节点；(ii)单输入节点零件中的流动，其中，利用零件的输出节点替换所述零件的单输入节点；(iii)多输入节点零件中的流动，对于输入节点个数大于1的零件，利用零件的输出节点替换所有输入节点。可选地，在本申请一些实施例中，所述根据所述末端节点的柔度矩阵，生成末端笛卡尔空间的刚度矩阵，包括：对所述末端节点的柔度矩阵进行求逆运算，获得所述末端笛卡尔空间的刚度矩阵。根据本申请实施例的并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法，可基于机器人构型提取虚拟节点，并根据定平台、末端点和机器人结构确定虚拟节点流的流动方向；根据虚拟节点流的流动方向传递、合并各接触或者零件的柔度等信息直到确定末端点的柔度矩阵。末端点的柔度矩阵的逆即为机器人的末端笛卡尔空间刚度矩阵。本申请克服了以往有限元分析法求解效率低、矩阵结构分析法求解精度低、虚拟铰链法依赖机器人结构在过约束或复合关节求解复杂的缺点，可以对机器人的刚度特性进行实时地量化描述，对机器人末端的刚度变形进行定量精确快速预测，对于机器人的构型综合、尺寸优化、力控制、静力学分析等领域都具有重要意义。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。附图说明本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本申请实施例的并混联机器人构型的结构示意图。图2为本申请实施例所提供的一种并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法的流程示意图。图3是根据虚拟节点流方法提取的图1中的并混联机器人的虚拟节点的示例图。图4是根据虚拟节点流方法确定的图3中虚拟节点的流动方向。图5是本申请具体实例中并混联机器人末端点的位置及姿态的示例图。图6是本申请具体实例中16个末端位子对应的末端笛卡尔柔度矩阵与商业软件ANSYS计算的结果比较的示例图。具体实施方式下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。需要说明的是，并混联机构由于在精度、刚度和动力学性能等方面优于串联机构而受到学术界和工业界的广泛关注。在高速加工、强力组装等应用中需要高刚度和快速动态响应的情况下，应始终考虑末端的刚度矩阵，并且机器人的刚度是一个特别重要的性能因素。并混联机器人的末端笛卡尔空间刚度建模，就是对于任意机器人位姿，给出末端机器人执行器端的刚度或者柔度矩阵，它是机器人刚度性质的直接量化体现。末端笛卡尔空间刚度建模，通常需要兼具求解精度和求解效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法，其特征在于，包括：/n基于所述并混联机器人的构型，提取针对所述并混联机器人的虚拟节点；/n根据所述并混联机器人之中的定平台、末端点和所述并混联机器人的结构，确定所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方向；/n根据所述虚拟节点、所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方向和所述虚拟节点所在的虚拟节点流的流动方法，使得柔度矩阵和被动位移信息从所述虚拟节点流的起点传递至末端节点，获取所述末端节点的柔度矩阵；/n根据所述末端节点的柔度矩阵，生成末端笛卡尔空间的刚度矩阵。/n

【技术特征摘要】
1.一种并混联机器人末端笛卡尔空间的刚度建模方法，其特征在于，包括：
基于所述并混联机器人的构型，提取针对所述并混联机器人的虚拟节点；
根据所述并混联机器人之中的定平台、末端点和所述并混联机器人的结构，确定所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方向；
根据所述虚拟节点、所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方向和所述虚拟节点所在的虚拟节点流的流动方法，使得柔度矩阵和被动位移信息从所述虚拟节点流的起点传递至末端节点，获取所述末端节点的柔度矩阵；
根据所述末端节点的柔度矩阵，生成末端笛卡尔空间的刚度矩阵。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述并混联机器人的构型，提取针对所述并混联机器人的虚拟节点，包括：
根据第一原则和所述并混联机器人的构型，确定针对所述并混联机器人的虚拟节点，所述虚拟节点具有对应位置和物理表征含义；其中，所述第一原则包括：
(i)存在接触的两个零件间，通过接触确定分别位于所述两个零件上的两个虚拟节点，所述两个虚拟节点代表接触在所述两个零件上分别对应的位置；
(ii)所述并混联机器人的笛卡尔刚度矩阵式末端相对于固定位置的受力-形变关系，通过所述固定位置确定虚拟节点，表示位移恒为0的点；
(iii)所述并混联机器人的末端点作为一个虚拟节点，代表最终需要确定刚度矩阵的节点。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述并混联机器人之中的定平台、末端点和所述并混联机器人的结构，确定所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方向，包括：
根据第二原则、所述并混联机器人之中的定平台、末端点和所述并混联机器人的结构，确定所述虚拟节点在对应虚拟节点流中的传递流动方...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴军，叶豪，王冬，王立平，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11