[發明專利]一種基于機器人動力學模型的關節力矩限制方法

在審

• 申請號: 201710209778.7
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN106903692A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 張鐵;羅欣;鄒焱飚
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及串聯機器人關節力矩限制方法，特別涉及一種基于機器人動力學模型的關節力矩限制方法。

背景技術

串聯機器人在制造業、農業、娛樂業等行業得到越來越廣泛的應用。當機器人處于某些極度惡劣的工作狀況下，有可能出現關節伺服電機所需的輸出力矩，超出伺服電機所能提供的最大轉矩，導致伺服電機驅動器報警，停止工作，甚至造成伺服電機損壞。因此，需要進行關節力矩限制，以防止意外事故的發生。

判斷整個機器人運動過程中是否存在關節力矩超限并不困難，只需要在軌跡規劃之后，將規劃的關節位置、角速度和角加速度代入式(5-1)所示的機器人逆動力學模型計算公式中，算得整個運動過程各個關節輸出力矩，從中挑選出最大值與伺服電機手冊最大力矩乘上減速比后的積進行比較，即可知道關節力矩是否存在超限的情況。困難的是判斷關節力矩存在超限之后，如何在不改變運動路徑的前提下，更改機器人運動速度以使關節力矩保持在限制范圍之內。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于機器人動力學模型的關節力矩限制方法，旨在解決判斷關節力矩存在超限之后，如何在不改變運動路徑的前提下，更改機器人運動速度以使關節力矩保持在限制范圍之內的問題。

本發明的目的通過下述技術方案來實現：

一種基于機器人動力學模型的關節力矩限制方法，包括如下步驟：

S1、設計一個關于時間的動態標度；

S2、建立期望關節力矩和限制關節力矩之間的函數關系；

S3、在機器人運行過程中，實時計算限制力矩和期望力矩；

S4、如果期望力矩小于或者等于限制力矩，則返回上一步S3；如果期望力矩大于限制力矩，則進行下一步S5；

S5、計算期望關節力矩和限制關節力矩的函數，求得相應的時間動態標度，作為關節插補周期，以增加關節運動時間的方式，減小關節力矩。

進一步地，所述步驟S1包含如下步驟：

S1.1、經過軌跡規劃之后，機器人所有關節的運動軌跡為θ(t),t∈[0,t_f]，假定該關節運動軌跡某處存在關節力矩超限的情況，于是設計一條新的關節運動軌跡假定其能保證關節力矩保證安全限制范圍之內，且滿足式(1)

其中r＝r(t)，是關于時間t的嚴格單調遞增函數，且有r(0)＝0,r(t_f)＝t_f；

S1.2、對式(1)分別求一階和二階微分，可得

對于軌跡θ(t)，機器人的逆動力學模型如式(4)所示

將科氏力和向心力項重寫為將重力項和摩擦力項獨立出來，可得式(4)

其中，

同理，對于軌跡可得

其中，

S1.3、將式(2)和式(3)代入整理得

令t＝r(t)，將代入式(7)，得

綜上可得超限關節力矩τ(t)和不超限關節力矩與函數r(t)之間的關系，r(t)被稱作動態標度函數，可以視作時間t的一種映射關系，相當于重新調整時間的流速，將恒定不變流逝的時間，映射為可以發生變動的函數關系；

S1.4、為了進一步簡化式(8)，動態標度函數r(t)可以選取如式(9)所示的最簡單的線性標度函數

r(t)＝ct(9)式中，c為常數，則有

于是，式(5-9)可以簡化為

進一步地，所述步驟S3包含如下步驟：

S3.1、t時刻，不超限關節力矩的慣性力、科氏力和向心力項可以求得

式中，τ_max是關節限制力矩，一般為固定常數；g(θ(t))為機器人逆動力學模型的重力項；為機器人逆動力學模型的摩擦力項；

S3.2、t時刻，軌跡規劃的關節力矩的慣性力、科氏力和向心力項可以由機器人逆動力學模型求得

式中，為機器人逆動力學模型的慣性力項；為機器人逆動力學模型的哥氏力和向心力項。

本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果：