一种冗余双臂协作机器人系统设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种冗余双臂协作机器人系统设计方法，包括构建冗余双臂协作机器人主体，并选取基座安装相关参数；获得反映冗余双臂操纵性能的静态性能指标，以及面向任务的冗余双臂的可操纵程度的动态指标；以构建的冗余双臂协作机器人主体作为仿真对象先后进行静态性能指标分析和动态指标分析，获得基座安装相关参数的最优解，其中，参数包括肩宽、上倾角和前倾角，并基于这三个参数，通过反映冗余双臂操纵性能的静态性能指标和面向任务的冗余双臂的可操纵性的动态性能指标，在静态性能指标所得的两个倾角的最优区间内进一步获得了最优前倾角、上倾角和最优肩宽，使得系统中的冗余双臂获得了最理想的操纵性能，大大提升了冗余双臂的操纵性能。冗余双臂的操纵性能。冗余双臂的操纵性能。

【技术实现步骤摘要】
一种冗余双臂协作机器人系统设计方法


[0001]本专利技术涉及冗余双臂协作机器系统
，具体为一种冗余双臂协作机器人系统设计方法。

技术介绍

[0002]传统的单臂机器人广泛地应用于工业生产中，代替人工进行冲压、铸造、焊接、涂装、码垛等。但是在一些涉及精密装配、精细操作的应用场景，传统的单臂工业机器人很难通过协作来完成精密插装工作。因此，双臂协作机器人因其具有较高的灵活性和多功能性而逐渐加速应用于工业生产和生活服务领域。目前，双臂协作机器人从自由度角度来看，主要分为两种：两只六自由度臂和冗余双臂，其对应的代表产品有UR和Yumi，其中，无论国外
[0003]但其在设计过程中往往会忽视冗余双臂的基座的合理安装，使双臂还不能拥有最佳的操纵性，以及急需一种冗余双臂协作机器人系统设计方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种通过优化基座的安装提高双臂操纵性的冗余双臂协作机器人系统设计方法来解决上述现有技术中存在的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种冗余双臂协作机器人系统设计方法，包括如下步骤：
[0006]S1、构建冗余双臂协作机器人主体，包括躯干部分、左手臂组件、右手臂组件以及基座部分，并选取基座安装相关参数；
[0007]S2、获得反映冗余双臂操纵性能的静态性能指标，以及面向任务的冗余双臂的可操纵程度的动态指标；
[0008]S3、以构建的冗余双臂协作机器人主体作为仿真对象先后进行静态性能指标分析和动态指标分析，获得基座安装相关参数的最优解。
[0009]优选的，在步骤S1中，所述左手臂组件和右手臂组件采用两个单冗余臂设计，其构型符合SRS构型的七自由度拟人化臂结构。
[0010]优选的，在步骤S1中，基座安装相关参数包括冗余双臂协作机器人的肩宽、上倾角和前倾角。
[0011]优选的，在步骤S2中，静态性能指标包括冗余双臂的公共工作空间和总工作空间的乘积；
[0012]其中，由蒙特卡洛方法和正向运动学获得冗余双臂的工作空间，通过椭球体公式获得两只单冗余臂的椭圆体工作空间相交所得的公共工作空间与总工作空间的体积。
[0013]优选的，蒙特卡洛方法的公式为：其中，其中，和分别代表关节角度的最大值和最小值；Rand()代表的是一个随机函数，其取值在0与1之间；
[0014]椭球体公式为：V＝(4π/3)
×
(abc)；其中，V为椭球体的体积；a、b、c分别代表的为
椭球体三个轴的长度的一半。
[0015]优选的，在步骤S2中，静态性能指标包括冗余双臂的旋转角度，该旋转角度由冗余臂上的肩部、肘部以及腕部组成的平面与参考平面形成的夹角。
[0016]优选的，在步骤S2中，静态性能指标包括冗余双臂的受力情况FC与运动能力MC，求解公式为：
[0017]优选的，静态性能指标包括冗余双臂的可操纵性程度DAMM，其表达式为：
[0018][0019]其中，P1为固定公共工作空间的一个点，在每个上/前倾角中改变旋转角度以获得DAMM(P1)。
[0020]优选的，在步骤S2中，获取面向任务的冗余双臂的可操纵程度的动态指标具体为：
[0021]a、根据任务要求获得速度和力的可操纵性程度椭球体，将所需可操纵性程度椭球体与实际可操纵性程度椭球体的交点定义为面向任务的可操作性，并以矩阵的形式获得描述面向任务的可操纵性程度的表达式：
[0022]b、将面向任务的可操纵性程度TOMM与冗余双臂的可操纵性程度DAMM综合获得面向任务的冗余双臂的可操纵程度TODAMM，并以矩阵的形式获得TODAMM的数学形式的表达式：
[0023]c、通过蒙特卡洛方法设计一条处于公共工作空间的轨迹，由任务要求给出所需的可操纵程度。
[0024]优选的，在步骤S3中，首先获得在各个上倾角/前倾角、肩宽情况下针对单一静态性能指标的仿真结果图，确定上倾角和前倾角，以及肩宽的局部最优范围；接着以静态分析的结果作为输入值，进行面对具体任务的动态分析，确定上倾角和前倾角，以及肩宽在冗余双臂的操纵性能最为理想的状况下的最优解。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术中通过选取基座安装相关参数，包括肩宽、上倾角和前倾角，并基于这三个参数，并通过反映冗余双臂操纵性能的静态性能指标和面向任务的冗余双臂的可操纵性等动态性能指标，在静态性能指标所得的两个倾角的最优区间内进一步获得了最优前倾角、上倾角和最优肩宽，使得系统中的冗余双臂获得了最理想的操纵性能，大大提升了冗余双臂的操纵性能。
附图说明
[0026]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。
[0027]在附图中：
[0028]图1为本专利技术冗余双臂协作机器人主体图；
[0029]图2为本专利技术构型类似于符合SRS构型的七自由度拟人化臂的结构简图；
[0030]图3为本专利技术双冗余机械臂的基础框架布置图；
[0031]图4为本专利技术冗余机械臂的旋转角度示意图；
[0032]图5为本专利技术冗余机械臂的可操纵性程度示意图；
[0033]图6为本专利技术仿真获得的各个上/前倾角情况下PTCWV结果图；
[0034]图7为本专利技术仿真获得的各个上/前倾角情况下SAR和HEP结果图；
[0035]图8为本专利技术仿真获得的各个上/前倾角情况下FC和MC结果图；
[0036]图9为本专利技术仿真获得的各个上/前倾角情况下DAMM结果图；
[0037]图10为本专利技术冗余双臂机器人系统的最佳基座安装示意图；
[0038]图中标号：1、躯干部分；2、左手臂组件；3、右手臂组件；4、基座部分。
具体实施方式
[0039]以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0040]实施例：一种冗余双臂协作机器人系统设计方法，包括如下步骤：
[0041]S1、参考图1
‑
图2所示，构建冗余双臂协作机器人主体，包括躯干部分1、左手臂组件2、右手臂组件3以及基座部分4，其中躯干部分模仿人的躯干构造，用以保护和连接支撑基座与左手臂组件、右手臂组件；左手臂组件和右手臂组件采用两个单冗余臂设计，其构型符合SRS构型的七自由度拟人化臂结构；该构型总共由7个关节组成，其中前三个关节相当于一个球型关节，后三个关节的结构与人类手臂的腕部相类似；第四个关节则连接前后三个关节，与人类手臂的肘部关节相类似；可以自由灵活的工作，且其每个关节中都内置力矩传感器，能够很好的胜任柔顺控制工作；其末端执行器上可以安装摄像头，用于承担视觉工作。基座部分从下往上由一圆盘形底座连接一个圆柱形支撑件，上端连接着两个倾斜的圆盘形凸台，用于与左右手臂组件相连接；
[0042]参考图3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冗余双臂协作机器人系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建冗余双臂协作机器人主体，包括躯干部分、左手臂组件、右手臂组件以及基座部分，并选取基座安装相关参数；S2、获得反映冗余双臂操纵性能的静态性能指标，以及面向任务的冗余双臂的可操纵程度的动态指标；S3、以构建的冗余双臂协作机器人主体作为仿真对象先后进行静态性能指标分析和动态指标分析，获得基座安装相关参数的最优解。2.根据权利要求1所述的一种冗余双臂协作机器人系统设计方法，其特征在于：在步骤S1中，所述左手臂组件和右手臂组件采用两个单冗余臂设计，其构型符合SRS构型的七自由度拟人化臂结构。3.根据权利要求2所述的一种冗余双臂协作机器人系统设计方法，其特征在于：在步骤S1中，基座安装相关参数包括冗余双臂协作机器人的肩宽、上倾角和前倾角。4.根据权利要求3所述的一种冗余双臂协作机器人系统设计方法，其特征在于：在步骤S2中，静态性能指标包括冗余双臂的公共工作空间和总工作空间的乘积；其中，由蒙特卡洛方法和正向运动学获得冗余双臂的工作空间，通过椭球体公式获得两只单冗余臂的椭圆体工作空间相交所得的公共工作空间与总工作空间的体积。5.根据权利要求4所述的一种冗余双臂协作机器人系统设计方法，其特征在于：蒙特卡洛方法的公式为：其中，其中，和分别代表关节角度的最大值和最小值；Rand()代表的是一个随机函数，其取值在0与1之间；椭球体公式为：V＝(4π3)
×
(abc)；其中，V为椭球体的体积；a、b、c分别代表的为椭球体三个轴的长度的一半。6.根据权利要求3所述的一种冗余双臂协作机器人系统设计方法，其特征在于：在步骤S2中，静...

【专利技术属性】
技术研发人员：段晋军，孙伟栋，王灵禺，崔坤坤，姜锦程，郭安，吴洪涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：