【技术实现步骤摘要】
基于柔性液压机械臂雅可比矩阵的末端力软测量方法
[0001]本专利技术涉及柔性液压机械臂控制
,具体涉及基于柔性液压机械臂雅可比矩阵的末端力软测量方法。
技术介绍
[0002]目前柔性液压机械臂已被广泛应用于大飞机清洗和隧道凿岩等接触性作业,面对多变的非结构化环境,以及柔性液压机械臂自身的惯量大,经常性接触容易造成末端力传感器的损坏,对末端力的测量造成影响。
[0003]目前已经有基于参数辨识的液压机械臂末端力软测量方法,例如专利公开号为CN113977578A,名为一种液压机械臂末端力软测量方法,为本团队2021年10月26日申请且以获得授权的专利,但此种末端力软测量方法只适用于刚性液压机械臂,柔性液压机械臂在运行过程中因为自身臂架结构的变形特性,动态特性难以描述,导致液压机械臂动力学参数存在不准确的问题,因此对于存在臂杆变形的长柔性多关节液压机械臂并不适用,未考虑臂杆变形对机械臂末端力软测量的影响。当柔性液压机械臂末端受力时,可将其等效为液压缸的受力,由液压缸驱动力矩克服末端负载力,故可利用雅克比矩阵将末端力分解到各关节上。但因为臂杆柔性产生的挠度变形会对转换的雅可比矩阵产生影响,直接用未考虑挠度变形的刚性雅可比矩阵会导致末端力计算结果不准。因此,考虑柔性臂杆变形特性,提出一种根据各臂杆挠度变形求解柔性臂雅可比矩阵的方法。基于柔性臂雅可比矩阵,提出基于柔性液压机械臂雅可比矩阵的末端力软测量方法,可以解决因臂杆变形造成末端力估计不准的问题。
技术实现思路
[0004]为此,本专利技术提 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于柔性液压机械臂雅可比矩阵的末端力软测量方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,建立柔性液压机械臂动力学模型,针对柔性液压机械臂运动范围广、关节摩擦不精确等问题,建立非线性关节摩擦力矩模型,根据柔性臂动力学模型确定柔性臂液压驱动力矩与广义力之间的关系,并将动力学模型线性化处理,建立柔性臂最小惯性参数集及其对应的回归矩阵的线性模型;步骤2,利用有限傅里叶级数设计激励轨迹,以步骤1的回归矩阵条件数最小为目标,求解有限傅里叶级数系数,生成激励轨迹;步骤3,柔性臂在无负载条件下,运行一次激励轨迹,采集液压缸两腔压力传感器数值,并通过液压缸两腔压力计算液压驱动力矩τ;将各时刻的广义模态角度(含关节角度与模态参数)、广义角速度、广义角加速度带入回归矩阵Y中,并合并成一个总矩阵;步骤4,根据步骤3得到的液压驱动力矩τ和回归矩阵Y计算柔性臂动力学参数;步骤5,通过安装在臂段三处的倾角传感器以及臂杆首端(靠近基座端点)倾角传感器共4个倾角传感器测得数据,求解出臂杆末端挠度变形解析式;步骤6,通过分析三自由度柔性臂运动学特性,求解柔性臂末端位置,通过对末端位置中关节角度求偏导以及结合步骤5中求解出来的臂杆末端挠度变形解析式可求解出含有挠度变形的柔性臂雅可比矩阵;步骤7,将步骤4中所得的动力学参数,带入到步骤1的线性模型中,结合步骤6中柔性臂雅可比矩阵计算柔性液压机械臂末端力大小;其中,F为机械臂末端力;J(p)是柔性液压机械臂雅克比矩阵,表示回归矩阵,L表示最小惯性参数集,τ
f
为非线性关节摩擦力矩。2.根据权利要求1所述的基于柔性液压机械臂雅可比矩阵的末端力软测量方法,其特征在于,步骤1中所述的柔性液压机械臂动力学模型具体如下:其中,p为柔性臂广义模态角,p=[θ q]
T
,θ为关节角度,q为模态坐标,为广义角速度,为广义角加速度,τ为液压驱动力矩,M(p)为柔性臂惯性矩阵,为柔性臂科氏力和向心力矩阵,K为柔性臂刚度矩阵,G为柔性臂重力矩阵,τ
f
为非线性关节摩擦力矩。3.根据权利要求1所述的基于柔性液压机械臂雅可比矩阵的末端力软测量方法,其特征在于,步骤1中所建立的非线性关节摩擦力矩模型为:其中,k1、k2、k3、k4是傅里叶级数的系数,k5、k6、k7、k8是三阶多项式的系数,为待辨识参数。4.根据权利要求1所述的基于柔性液压机械臂雅可比矩阵的末端力软测量方法,其特征在于,步骤1中所述的柔性臂液压驱动力矩与柔性臂所受的广义力之间的关系为:Q
I
=τ
i
‑
τ
i+1
其中,Q
I
为柔性臂所受的广义力,下标I为广义力序号,τ
i
为柔性臂所受的关节力矩,下
标i为关节序号。5.根据权利要求1所述的基于柔性液压机械臂雅可比矩阵的末端力软测量方法,其特征在于,步骤1中所述的柔性臂最小惯性参数集线性模型具体如下:其中,表示柔性臂回归矩阵,L表示最小惯性参数集。6.根据权利要求1所述的基于柔性液压机械臂雅可比矩阵的末端力软测量方法,其特征在于,步骤2中所述的有限傅里叶级数表达式如下:对于第i个关节,正弦项和余弦项的数目均为N,t表示激励轨迹的运行时间,ω
f
=2πf
f
为基频,f
f
=1/t,a
l,i
...
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