一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法技术方案

一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，包括：设计地面试验机械臂构型和路径，生成关节角度数据文件；ADAMS中建立参数化的机械臂动力学模型，并导入关节角度数据文件；进一步建立参数化的随动吊挂系统动力学模型；保存模型，作为标准动力学模型，用于计算重力和随动吊挂系统作用下，机械臂试验过程的关节力矩；设计目标函数，调用标准动力学模型，采用智能优化算法，确定随动吊挂系统的最优平衡力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法


[0001]本专利技术涉及一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，属于空间机械臂


技术介绍

[0002]在空间机械臂的研制过程中，一般需要将机械臂安装在卫星本体或模拟墙上，开展机械臂的精度标定、性能测试以及功能验证等地面试验。空间机械臂是按照太空失重环境要求设计的，在地面试验中常采用随动吊挂系统进行重力补偿，模拟空间的微重力环境。
[0003]随动吊挂系统通过重力平衡装置实现对机械臂关节和臂杆的重力补偿。平衡力与重力共同作用下的机械臂及随动吊挂系统是一个复杂的多体动力学对象，采用随动吊挂系统开展空间机械臂地面试验，其难点之一是平衡力的选取，这是一个参数优化的设计过程，不合理的平衡力将会在各关节处产生较大的力和力矩，可能导致驱动电机无法正常运转，甚至损坏机械臂。
[0004]经检索，有关空间机械臂地面试验的随动吊挂系统的资料中，以重力平衡装置等硬件实现为主，而未查见有关机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题是：针对目前现有技术中，有关机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计技术的技术缺陷，提出了一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法。
[0006]本专利技术解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
[0007]一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，包括：
[0008]设计地面试验的机械臂构型、运动路径，生成机械臂的关节角度数据；
[0009]建立重力环境下的机械臂动力学模型，输入关节角度数据；
[0010]建立随动吊挂系统动力学模型，与机械臂动力学模型共同作为标准动力学模型，用于计算任意一组外部平衡力参数作用下，机械臂运动过程中的关节力矩数据；
[0011]以标准动力学模型输出的关节力矩数据为输入，设计目标函数，计算关节力矩数据对应的目标函数值，通过智能优化算法更新平衡力参数，选取使目标函数值最小的一组平衡力参数，作为随动吊挂系统的最优平衡力。
[0012]所述机械臂动力学模型根据机械臂运动学参数和动力学参数建立，机械臂动力学模型设置于外部基座上，基座设置于模拟墙或气浮平台上。
[0013]随动吊挂系统动力学模型包括重力平衡机构模型、平衡力等效模型，重力平衡机构模型建模方法具体为：
[0014]将各重力平衡机构等效为等数量质点，与机械臂动力学模型中的机械臂连杆通过固定副连接，预设各质点的质量及安装参数，确定重力平衡机构模型。
[0015]所述平衡力等效模型建模方法具体为：
[0016]将为随动吊挂系统施加平衡力的钢丝绳简化为与重力方向相反并作用于重力平衡机构上的外部作用力，将各作用力的大小设置为设计变量，建立平衡力等效模型。
[0017]将机械臂动力学模型、随动吊挂系统动力学模型通过ADAMS集成为标准动力学模型并进行调用，以简化后的一组外部作用力数值作为模型输入，获取一组机械臂的各关节力矩数据作为输出。
[0018]所述目标函数具体包括：
[0019]基于关节力矩极值最优的目标函数，或基于关节力矩平均极差最优的目标函数，分别通过关节力矩极值或关节力矩平均极差评估一组随动吊挂系统平衡力作用下的重力补偿效果，其中：
[0020]基于关节力矩极值最优的目标函数具体为：
[0021]τ
f
＝max(|τ
ij
|)
[0022]式中，max(|τ
ij
|)为一组关节力矩数据中全部关节力矩的绝对值的最大值。
[0023]基于关节力矩平均极差最优的目标函数具体为：
[0024][0025]式中，τ
jmax
和τ
jmin
为一组关节力矩数据中关节j所受力矩的最大值和最小值，n为所述机械臂的自由度。
[0026]所述智能优化算法为粒子群算法，采用线性递减动态惯性权重策略实现。
[0027]调用标准动力学模型的具体方法为：
[0028]创建批处理文件run.bat，用于运行时自启动ADAMS，并于ADAMS运行结束后退出ADAMS；
[0029]初始化或者优化更新平衡力向量F＝[F
1 F2ꢀ…ꢀ
F
k
ꢀ…ꢀ
F
q
]，其中q为重力平衡机构的数量；
[0030]创建ADAMS的命令脚本文件aview.cmd，于ADAMS自启动后打开标准动力学模型，将平衡力向量F的各元素赋值于标准动力学模型的q个表示平衡力大小的设计变量、进行仿真计算并输出关节力矩数据文件Tz_GuanJie.txt；
[0031]运行批处理文件run.bat，调用ADAMS标准动力学模型；
[0032]持续搜索关节力矩数据文件Tz_GuanJie.txt，直到搜索到该数据文件时，完成一次ADAMS的标准动力学模型调用。
[0033]调用标准动力学模型、处理关节力矩数据计算目标函数值、使用优化算法更新平衡力参数时均通过Matlab仿真实现，其中，Matlab仿真环境下以批处理方式调用ADAMS标准动力学模型的命令为system('run.bat')。
[0034]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0035](1)本专利技术提供的一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，通过通过机械系统虚拟样机ADAMS建模和数学优化，设计得到合适的平衡力参数，作为空间机械臂地面试验随动吊挂系统的力输入，确保机械臂在试验过程中各关节不承受过大力矩，实施容易，效果显著；通过机械系统虚拟样机软件ADAMS，实现了空间机械臂地面试验随动吊挂系统的标准动力学集成建模，回避了繁琐的数学推导过程，物理含义更加直观明确；
[0036](2)本专利技术通过计算目标函数值，定量评估一组随动吊挂系统平衡力作用下的重
力补偿效果时，考虑了机械臂地面试验操作任务的全过程关节力矩信息，避免了只考虑少数任务构型时可能漏掉过大的关节力矩，数据信息利用更加充分有效；
[0037](3)本专利技术使用粒子群算法进行机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化，设计得到一组全局最优的平衡力参数，作为空间机械臂地面试验随动吊挂系统的力输入，确保机械臂在试验过程中各关节不承受过大力矩，实施容易，效果显著。
附图说明
[0038]图1为专利技术提供的空间机械臂以及地面试验随动吊挂系统示意图；
[0039]图2为专利技术提供的七自由度机械臂及连杆坐标系示意图；
[0040]图3为专利技术提供的机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法的流程示意图；
[0041]图4为专利技术提供的地面试验任务机械臂时间
‑
关节角度规划曲线示意图；
[0042]图5为专利技术提供的重力平衡机构安装参数示意图；
[0043]图6为专利技术提供的机械臂
‑
随动吊挂系统A本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，其特征在于包括：设计地面试验的机械臂构型、运动路径，生成机械臂的关节角度数据；建立重力环境下的机械臂动力学模型，输入关节角度数据；建立随动吊挂系统动力学模型，与机械臂动力学模型共同作为标准动力学模型，用于计算任意一组外部平衡力参数作用下，机械臂运动过程中的关节力矩数据；以标准动力学模型输出的关节力矩数据为输入，设计目标函数，计算关节力矩数据对应的目标函数值，通过智能优化算法更新平衡力参数，选取使目标函数值最小的一组平衡力参数，作为随动吊挂系统的最优平衡力。2.根据权利要求1所述的一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，其特征在于：所述机械臂动力学模型根据机械臂运动学参数和动力学参数建立，机械臂动力学模型设置于外部基座上，基座设置于模拟墙或气浮平台上。3.根据权利要求2所述的一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，其特征在于：随动吊挂系统动力学模型包括重力平衡机构模型、平衡力等效模型，重力平衡机构模型建模方法具体为：将各重力平衡机构等效为等数量质点，与机械臂动力学模型中的机械臂连杆通过固定副连接，预设各质点的质量及安装参数，确定重力平衡机构模型。4.根据权利要求3所述的一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，其特征在于：所述平衡力等效模型建模方法具体为：将为随动吊挂系统施加平衡力的钢丝绳简化为与重力方向相反并作用于重力平衡机构上的外部作用力，将各作用力的大小设置为设计变量，建立平衡力等效模型。5.根据权利要求4所述的一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，其特征在于：将机械臂动力学模型、随动吊挂系统动力学模型通过ADAMS集成为标准动力学模型并进行调用，以简化后的一组外部作用力数值作为模型输入，获取一组机械臂的各关节力矩数据作为输出。6.根据权利要求4所述的一种机械臂随动吊挂系统的平衡力参数优化设计方法，其特征在于：所述目标函数具体包括：基于关节力矩极值最优的目标函数，或基于关节力矩平均极差最优的目标函数，分别通过关节力矩极值或关节力矩平均极差评估一组随动吊挂系统平衡力作用下的重力补偿效果，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宁，邹怀武，马晓龙，黎丰，胡迪科，肖余之，朱虹，刘鲁江，靳永强，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：