[發明專利]一種用于機器人耦合動態特性分析與控制的系統和方法

有效

• 申請號: 201710128721.4
• 申請日: 2017-03-06
• 公開（公告）號: CN106625684B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 劉玉飛;訾斌;許德章;錢森;張席;汪步云;于華
• 申請（專利權）人: 安徽工程大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 徐州先卓知識產權代理事務所(普通合伙) 32555
• 代理人: 于浩

本發明提供了一種用于機器人耦合動態特性分析與控制的系統和方法，所述分析與控制系統包括計算機，在計算機C內設建模模塊B1和分析模塊B2；在計算機C與機器人之間設有信號分析系統B5、檢測模塊B4與控制模塊B3；所述方法能夠考慮機器人系統中存在的耦合因素，動態特性分析結果精度高，能有效避免因忽略耦合因素所造成的誤差甚至錯誤的問題，同時可實現系統耦合動態特性的反饋控制，有利于機器人系統的綜合分析和集成化設計。本發明基于系統的模塊化，易于實現，操作簡單，避免了復雜的理論建模計算過程，降低了分析難度，可有效避免因大量計算求解而容易出錯的問題。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種用于機器人耦合動態特性分析與控制的系統和方法。

背景技術

工業機器人在機械加工、上下料、噴涂等作業中有著廣泛的應用，在作業過程中，機器人系統需要保持較好的動態性能和操作精度。目前，機器人系統的集成化程度越來越高，這必然增加了系統組成部件(如系統的驅動單元、傳感單元、控制單元、傳動機構和執行機構)之間的耦合作用。對于大功率重載機器人而言，系統的驅動單元、傳動機構和執行機構之間的耦合作用，尤其驅動系統的機電耦合因素對系統的動力學特性影響更為明顯。在執行高速操作任務時，機器人執行機構特別是末端關節臂存在一定的抖動現象(稱為彈性振動)，必然影響系統的操作精度、穩定性和使用壽命。因此，在設計和使用過程中需要對執行機構的動態特性進行分析測試。相關專利CN201110371711.6公開了一種并聯機器人的正逆動力學響應分析與控制方法，其將并聯機器人的各個分支鏈和動平臺視為相互獨立的子系統，分別求解各分支鏈子系統、動平臺子系統的動力學方程，然后根據子系統間的約束方程，得到系統的正動力學方程和逆動力學方程。相關專利CN200910068500.8將移動平臺和機械手視為整體，建立了履帶式移動機械手的統一動力學建模，但他們都沒有考慮子系統之間的耦合作用，尤其是驅動系統本身的機電耦合因素對動力學特性的影響。因此，如果采用通常方法將機器人驅動單元、傳動機構和執行機構單獨進行分析，忽略了耦合因素對系統動態性能的影響，將使分析的結果存在一定的誤差甚至錯誤，必然影響整體系統的設計結果和控制效果。而且，現有分析方法通常采用理論建模計算，整個過程難度較大，耗時耗力，易于出錯。

對機器人操作過程中產生的抖動現象，通常工程上是采取降低操作速度的方法進行抑制，這種方法首先制約了操作任務的順利進行，降低了工作效率。其次，簡單的降低操作速度缺乏理論指導，效果并不可觀。在機器人系統的振動控制方面，專利CN201510113887.X公開了一種并聯平臺的振動控制裝置與方法，專利CN200810198924.1公開了一種模擬太空帆板彎曲和扭轉低頻模態振動控制裝置與方法，專利CN201310321779.2公開了一種模擬空間飛行器壁板結構顫振/振動控制裝置與方法，這些相關專利采取的方法是在柔性桿或柔性結構上張貼智能材料形狀記憶合金SMA彈簧或壓電陶瓷片驅動器，通過控制結構的變形實現振動抑制的目的(通常稱為主動控制)，但是這種方法主要是針對柔性結構易于實施，而對于剛度較高的機器人關節臂而言，難以在其表面張貼微小柔軟的智能材料使其產生變形，因此難以采用主動控制實現振動抑制。另一方面，智能材料的使用也無疑改變了系統結構且增加了成本。因此，需要在不使用智能材料的前提下，針對剛度相對較高的機器人關節臂，發明一種有效的動態特性優化或振動控制方法。

發明內容

本發明針對現有技術存在的不足，提供一種可用于機器人耦合動態特性分析與控制的系統和方法，能夠考慮驅動系統的機電耦合因素和傳動系統的剛柔耦合因素，解決在動態特性分析時由于忽略系統耦合因素而造成的誤差甚至錯誤問題，同時分析過程通過系統的模塊化單元實現，使其易于實現，降低難度，避免因大量計算求解而容易出錯的問題。同時在不使用智能材料的前提下，提供一種有效的機器人耦合動態特性優化和振動控制方法，對運動過程中末端執行器動態特性進行實時監測與控制，實現末端執行器的高精度操作。本發明具體如下：