机器人刚度建模、辨识与修正方法及实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种机器人刚度建模、辨识与修正方法及实验系统，方法包括：机器人模型的拆分；机器人刚度辨识；机器人刚度建模；机器人刚度修正系数修正；实验系统包括机器人、激光跟踪仪、激光跟踪仪靶头、加载装置、加载法兰、机器人安装座、六维力传感器、终端。本发明专利技术提供的机器人刚度建模、辨识与修正方法及实验系统，能够全面考虑机器人的静力学弹性参数，解决辨识精度与辨识工作量相互冲突问题，可实现快速、高精度的机器人刚度建模，为机器人实时在线弹性误差补偿和刚度性能优化提供理论基础。础。础。

【技术实现步骤摘要】
机器人刚度建模、辨识与修正方法及实验系统


[0001]本专利技术涉及工业机器人
，特别是一种机器人刚度建模、辨识与修正方法及实验系统。

技术介绍

[0002]机器人系统刚度是指机器人系统抵抗外力变形的能力，表现为机器人末端在外力作用下的弹性变形。连杆、轴承、力矩传感器等弹性因素的引入对机器人刚度的提高带来了困难，从而影响了机器人的动态性能和定位精度。目前行之有效的方法为通过刚度建模提高机器人的使用刚度和定位精度。
[0003]由于连杆等结构件和支撑元件引起的弹性变形不能忽略，所以基于虚拟关节法简单的将机器人的刚度模型等效为等自由度的关节扭转模型不再适用。在之前的研究中，基于虚拟关节法的刚度建模方法大多假设机器人柔性的主要来源为关节扭转和倾覆柔性，忽略了其他因素对机器人刚度模型的影响。结构矩阵法将关节复杂结构件和光顺曲面连杆等效为单段或多段梁的方法过于简化，虽然降低了计算量但建模精度较低；而通过有限元分析方法可以得到连杆刚度参数最可靠的结果，但该方法在计算时间方面又无法满足刚度建模和补偿的实时性要求。基于外部传感器的静力学参数辨识几乎无法辨识机器人各模块所有的静力学弹性参数，辨识精度和辨识工作量之间需要进行平衡。基于有限元的辨识方法可以解决整个机械臂辨识参数庞大的问题。理想状态下，机器人各模块的刚度可以通过有限元方法辨识，这种辨识方法能够考虑机器人模块的复杂形状，线性和耦合刚度等因素，减少辨识次数。但机器人关节传动系统和轴承支撑刚度会受到关节机械装配或结构设计等影响，所以由理论有限元模型与实际样机模型的差异而造成的建模误差也是刚度建模和辨识的一个挑战。

技术实现思路

[0004]为解决机器人刚度建模、辨识存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种机器人刚度建模、辨识与修正方法及实验系统，能够全面考虑机器人的静力学弹性参数，解决辨识精度与辨识工作量相互冲突问题，可实现快速、高精度的机器人刚度建模，为机器人实时在线弹性误差补偿和刚度性能优化提供理论基础。该专利技术在保留虚拟关节法高计算效率的同时又具有有限元建模方法的高建模精度。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种机器人刚度建模、辨识与修正方法，该方法包括以下步骤：
[0006]步骤一、机器人模型的拆分：将机器人拆分成若干个相互独立的模块；
[0007]步骤二、机器人刚度辨识：将步骤一拆分的模块等效为有限元超单元，基于有限元子结构法采用有限元分析软件对模块刚度矩阵进行辨识；
[0008]步骤三、机器人刚度建模：
[0009](1)建立机器人的虚拟关节模型；所述虚拟关节模型为通过六维虚拟关节表示连
杆或关节模块的柔性变形；
[0010](2)采用虚拟关节法建立机器人刚度模型；
[0011]步骤四、机器人刚度修正系数修正：
[0012](1)确定影响机器人刚度模型的刚度影响系数；
[0013](2)测量机器人外力及相应的弹性变形；
[0014](3)采用辨识算法对刚度修正系数进行辨识；
[0015]所述刚度影响系数为机器人装配性能、结构设计、温度和磨损这些影响因素对机器人刚度模型的影响；所述机器人刚度修正系数修正能够补偿由理论有限元模型与实际样机的差异而造成的建模误差。
[0016]第二方面，本专利技术提供一种机器人刚度建模、辨识与修正实验系统，用于实现上述的机器人刚度建模、辨识与修正方法，该实验系统包括机器人、激光跟踪仪、激光跟踪仪靶头、加载装置、加载法兰、机器人安装座、六维力传感器和终端；加载装置包括加载架和安装在加载架上的砝码、钢丝绳；
[0017]所述机器人固定于机器人安装座上，加载法兰通过六维力传感器安装在机器人末端，激光跟踪仪靶头安装于加载法兰上，砝码通过钢丝绳和加载架向机器人加载；
[0018]所述六维力传感器用于获得机器人末端所受外力，所述激光跟踪仪用于获得机器人末端位移。
[0019]第三方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述机器人刚度建模、辨识与修正方法的步骤。
[0020]第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述机器人刚度建模、辨识与修正方法的步骤。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的优点与积极效果为：
[0022](1)本专利技术所建立的机器人刚度模型能够考虑机器人模块的复杂形状、线性刚度、扭转刚度以及耦合刚度等因素，在保留虚拟关节法高计算效率的同时又具有有限元建模方法的高建模精度。
[0023](2)本专利技术解决了机器人刚度辨识精度与辨识工作量相互冲突问题，可实现快速、高精度的机器人刚度建模，为机器人实时在线弹性误差补偿和刚度性能优化提供理论基础。
[0024](3)设计加载装置，通过调节砝码数量和钢丝绳在加载架的位置来改变加载力。
[0025]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下面特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面对将实施例中所需使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0027]图1是本专利技术实施例1提供的机器人刚度建模、辨识与修正方法的流程示意图；
[0028]图2是本专利技术实施例1所涉及的机器人简化模型示意图；
[0029]图3是本专利技术实施例1所涉及的机器人关节模块示意图；
[0030]图4是本专利技术实施例1所涉及的机器人连杆模块示意图；
[0031]图5是本专利技术实施例1所涉及的机器人关节模块等效模型示意图；
[0032]图6是本专利技术实施例1所涉及的超单元模型示意图；
[0033]图7是本专利技术实施例1所涉及的提取刚度矩阵的关节模块有限元模型示意图；
[0034]图8是本专利技术实施例1所涉及的机器人运动学模型示意图；
[0035]图9是本专利技术实施例1所涉及的机器人虚拟关节模型示意图；
[0036]表1是本专利技术实施例1提供的机器人刚度建模、辨识与修正方法与其他方法的对比；
[0037]图10是本专利技术实施例1提供的机器人刚度建模、辨识与修正方法与其他方法的对比；
[0038]图11是本专利技术实施例2提供的机器人刚度建模、辨识与修正实验系统的结构示意图；
[0039]图12是本专利技术实施例2提供的六维力传感器安装结构示意图；
[0040]图13是本专利技术实施例2提供的终端的结构示意图。
[0041]图中：1为机器人、2为激光跟踪仪、3为激光跟踪仪靶头、4为加载装置、4
‑
1为加载架、4
‑
2为砝码、4
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人刚度建模、辨识与修正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、机器人模型的拆分：将机器人拆分成若干个相互独立的模块；步骤二、机器人刚度辨识：将步骤一拆分的模块等效为有限元超单元，基于有限元子结构法采用有限元分析软件对模块刚度矩阵进行辨识；步骤三、机器人刚度建模：建立机器人的虚拟关节模型，所述虚拟关节模型为通过六维虚拟关节表示连杆或关节模块的柔性变形；采用虚拟关节法建立机器人刚度模型；步骤四、机器人刚度修正系数修正：确定影响机器人刚度模型的刚度影响系数，测量机器人外力及相应的弹性变形，采用辨识算法对刚度修正系数进行辨识。2.根据权利要求1所述的机器人刚度建模、辨识与修正方法，其特征在于，采用虚拟关节法建立机器人的刚度模型；机械臂各模块受力与末端执行器受力关系表示为：机械臂各模块受力与末端执行器受力关系表示为：其中f
i
表示施加在第i个模块输出端的外力，为力旋量变换矩阵，W为施加在机器人末端的外力，为末端坐标系到第i个模块输出坐标系的旋转矩阵，为末端坐标系到第i个模块输出坐标系的位置矢量；通过微分变换，机械臂模块弹性位移与机器人末端位移关系表示为：ΔX＝JΔQ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中J为机器人虚拟关节的雅克比矩阵，矩阵维数为6
×
6n；Q表示虚拟关节位移；所以，机械臂末端受力到虚拟关节空间的变换为F＝J
T
W
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)F＝[f1；f2；
…
；f
n
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中F为模块空间受力矢量；机械臂末端所受外力与弹性变形的关系为：W＝KΔX
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(7)其中K为机械臂末端刚度；机器人各模块受力关于各模块虚拟关节的偏微分，即模块刚度矩阵，可表示为如下：机器人各模块受力关于各模块虚拟关节的偏微分，即模块刚度矩阵，可表示为如下：则
K
Q
＝K
C
+J
T
KJ
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(10)其中K
Q
＝diag.([k1,k2,
…
,k
n
])为机器人虚拟关节刚度矩阵，由机器人各模块的刚度矩阵组成。k
i
为机器人第i个模块刚度矩阵；补充刚度矩阵K
C
对于机器人整机刚度的影响可以忽略不计，则机器人刚度模型可以推导如下：K＝J
‑
T
K
Q
J
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)C＝JC
Q
J
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)其中C，C
Q
分别表示笛卡尔空间和虚拟关节空间的柔度矩阵。3.根据权利要求2所述的机器人刚度建模、辨识与修正方法，其特征在于，通过六维力传感器获得机器人末端所受外力，通过激光跟踪仪获得机器人末端位移。4.根据权利要求3所述的机器人刚度建模、辨识与修正方法，其特征在于，机器人在外力W作用下产生的弹性变形与关节刚度矩阵修正系数成非线性关系，采用非线性最小二乘法对刚度修正系数进行辨识；以机器人弹性变形的实测值与计算值差值的平方和最小为目标函数，构建非线性最小二乘问题模型；目标函数如下：其中p为试验次数，ΔD
i
为误差矢量，可根据式(14)求得：ΔD
i
＝(ΔX
m
‑
ΔX
c
)
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖良闯，胡明伟，孙宏伟，陈卫彬，何家健，赵昀，邹金欣，
申请(专利权)人：江苏杰瑞科技集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：