一种机械臂动力学标准参数的辨识方法技术

本发明专利技术请求保护一种机械臂动力学标准参数的辨识方法，包括建立机械臂动力学方程式，将动力学方程式改写成最小参数集形式方程式。根据平行轴理论与最小参数递推公式，将最小参数集形式方程式推导成标准参数形式方程式。通过激励函数驱动机械臂，从而获取各关节的力矩。根据机械臂各关节的力矩和标准参数形式方程式，通过最小二乘法从机械臂的末端向基座逐次辨识出机械臂各连杆的标准参数。由标准参数建立的动力学方程式经过平行轴理论与最小参数递推公式的推导，将辨识参数的最小参数集推导回标准参数形式，最后通过实验力矩逐次拟合得到各连杆当前的标准参数，得到的标准参数具有独立物理意义，可以进行后续的开发研究，也直接用于工程化应用。直接用于工程化应用。直接用于工程化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂动力学标准参数的辨识方法


[0001]本专利技术涉及机器人动力学
，更具体地说，它涉及一种机械臂动力学标准参数的辨识方法。

技术介绍

[0002]随着机械臂的应用在医疗健康领域被深入开发研究，对于机械臂自身的控制精度要求逐步提高。机械臂结构中复杂元器件的使用以及生产装配时产生的问题导致机械臂的动力学参数与出场设定值并不相同，再有工作场合的拓展使得安装在机械臂末端的工具与手爪变得复杂，机械臂各关节的动力学惯性参数随之改变。为了使机械臂在更为复杂的工作环境下也能拥有较高的精度，或者拓展机械臂的使用场景，这需要重新对机械臂的动力学模型进行精确的建模与分析，这需要通过一系列复杂的流程与方法对机械臂的惯性参数进行辨识等工作。
[0003]现有动力学参数辨识的方法，如公告号为CN113021331B的专利公开了一种七自由度协作机器人动力学建模与辨识方法，所辨识出的参数为机械臂的动力学最小参数集，最小参数集可能是单独项，可能是某几个参数的耦合项。其耦合上述几项内容，是没有独立物理意义的，根据最小参数集建立的动力学方程式可用于检验机械臂的力矩相关性能，但是当机械臂安装的位置发生改变，或拓展自身是零件时，其出厂的动力学标准参数就变得不准确，此时再用最小参数集进行验证也无法得知其实际的物理性质的变化。
[0004]因此，如何直接辨识出机械臂当前的动力学标准参数正是本申请所要解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种机械臂动力学标准参数的辨识方法，当机械臂内部零部件发生改变，迁移安装位置或进行机械结构拓展时，可以用本方法辨识的标准参数直接取代机械臂出厂的标准参数重新建立动力学模型，以提高机械臂运动控制的精度。
[0006]为实现上述目的，提供了如下技术方案：
[0007]St10、一种机械臂动力学标准参数的辨识方法，其包括以下过程：建立机械臂动力学方程式，将动力学方程式改写成最小参数集形式方程式。
[0008]St20、根据平行轴理论与最小参数递推公式，将所述最小参数集形式方程式推导成标准参数形式方程式。
[0009]St30、通过激励函数驱动机械臂，从而获取各关节的力矩。
[0010]St40、根据机械臂各关节的力矩和所述标准参数形式方程式，通过最小二乘法从机械臂的末端向基座逐次辨识出机械臂各连杆的标准参数。
[0011]综上所述，上述技术方案具有以下有益效果：由标准参数建立的动力学方程式经过平行轴理论与最小参数递推公式的推导，将最小参数集推导回标准参数形式，最后通过
实验力矩逐次辨识得到各连杆当前的标准参数，得到的标准参数具有独立物理意义，可以进行后续的开发研究，也直接用于工程化应用，解决了机械臂内部零部件发生改变，迁移安装位置或进行机械结构拓展后动力学标准参数不再精准的技术问题，得到了辨识精度更高的标准参数，在机器人进行控制时具有更高的安全性与更好的性能。
附图说明
[0012]图1为一种机械臂动力学标准参数的辨识方法的流程图示意图；
[0013]图2为一种机械臂动力学标准参数的辨识方法的公式推导示意图；
[0014]图3为实施例一中本申请辨识出的标准参数与机械臂出厂设定标准参数的建模后实验力矩结果对比图示意图；
[0015]图4为实施例一中本申请辨识出的标准参数与传感器真值的误差，及机械臂出厂设定标准参数与传感器真值的误差的对比图示意图；
[0016]图5为实施例一中本申请方法辨识出的标准参数与常见方法辨识出最小参数建模后实验力矩的结果对比图示意图。
具体实施方式
[0017]下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
[0018]另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
[0019]如图1和图2所示，一种机械臂动力学标准参数的辨识方法，其包括以下过程：
[0020]St10、建立机械臂动力学方程式，将动力学方程式改写成最小参数集形式方程式。
[0021]St11、通过拉格朗日法建立动力学方程式，从而得到质量项、科氏力与离心力项和重力项。具体的，用拉格朗日法建立起机械臂动力学方程式：τ＝M+C+G。
[0022]式中，τ为力矩传感器测量的关节力矩，M项为质量项，C项为科氏力与离心力项，G项为重力项。
[0023]St12、将机械臂动力学方程式通过SVD(Singular Value Decomposition，奇异值分解)或者QR分解等矩阵分解运算方式改写成最小参数集形式：式中，为最小参数集形式方程式的观测矩阵，P
B
为最小参数集形式方程式的最小参数集组成的向量。根据机械臂各关节构造以及最小参数推导公式，P
B
向量内最小参数元素的个数以及组成都是已知可推导的。P
B
向量可表示为：
P
ij
表示为第i连杆的第j个最小参数，N
t
为最小参数的数量。以一般性7个旋转关节的机械臂，如德国Franka Emika Panda型与北京思灵Diana7型机械臂为例，关节类型第一个到第七个分别为R3、R1、R1、R1、R1、R1和R1，关节类型为R3的连杆包括一个最小参数，关节类型为R1的连杆包括七个最小参数，所以是一共N
t
＝43个最小参数的最小参数集，则P
B
向量可表示为：
[0024]P
B
＝(P
77
,P
76
,
…
,P
71
,P
67
,P
66
,
…
,P
27
,P
26
,
…
,P
21
,P
12
)
T
＝(P
B1
,
…
,P
B43
)
T
。
[0025]关节类型为R3的连杆(第一连杆)仅有的一个最小参数是与连杆惯性张量I
izz
相关，本申请对I
izz本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械臂动力学标准参数的辨识方法，其特征在于，包括以下过程：建立机械臂动力学方程式，将动力学方程式改写成最小参数集形式方程式；根据平行轴理论与最小参数递推公式，将所述最小参数集形式方程式推导成标准参数形式方程式；通过激励函数驱动机械臂，从而获取各关节的力矩；根据机械臂各关节的力矩和所述标准参数形式方程式，通过最小二乘法从机械臂的末端向基座逐次辨识出机械臂各连杆的标准参数。2.根据权利要求1所述的机械臂动力学标准参数的辨识方法，其特征在于，各个连杆均有一组最小参数集，根据平行轴理论与最小参数递推公式，将各个连杆的最小参数集推导成各个连杆的标准参数集，从而得到标准参数形式方程式为：式中，τ为力矩传感器测量的关节力矩,为最小参数集形式方程式的观测矩阵,P
b*
为各个连杆的标准参数集组成的向量。3.根据权利要求2所述的机械臂动力学标准参数的辨识方法，其特征在于，各个连杆的标准参数集P
b*
分别包括各自连杆的惯性张量参数、质心参数和质量参数，标准参数集P
b*
为：，式中，i表示为连杆的数量，b
i
为第i连杆的标准参数集；I
ixx
、I
iyy
、I
izz
、I
ixy
、I
ixz
和I
iyz
分别为第i个连杆绕x轴、y轴、z轴、xy轴、xz轴和yz轴的惯性张量参数，c
ix
、c
iy

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振，邵超，朱蓉军，黄琦，
申请(专利权)人：合肥合滨智能机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：