[發明專利]一種二自由度冗余驅動并聯機器人的動力學建模方法

有效

• 申請號: 201711242046.4
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108038286B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 惠記莊;武琳琳;趙睿英;羅麗;張澤宇
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;B25J9/16;G06F111/04
• 代理公司: 西安睿通知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 61218
• 代理人: 惠文軒

本發明屬于工業機器人建模與仿真領域，公開了一種二自由度冗余驅動并聯機器人的動力學建模方法，包括：獲取二自由度冗余驅動并聯機器人包含的三個子系統，建立每個子系統的動力學模型；確定二自由度冗余驅動并聯機器人三個子系統之間的約束條件；根據二自由度冗余驅動并聯機器人三個子系統之間的約束條件，以及每個子系統的動力學模型，得到二自由度冗余驅動并聯機器人的動力學模型；能夠解決現有具有多閉環結構的并聯機器人在建模過程需要借助輔助變量，較難得到精確的動力學解析模型問題，以及無法系統化建立在非理想約束下的動力學模型的問題。

技術領域

本發明屬于工業機器人建模與仿真技術領域，尤其涉及一種二自由度冗余驅動并聯機器人的動力學建模方法。

背景技術

動力學建模作為并聯機器人動力學分析研究的一個重要內容，是機構的動力學特性分析以及動態控制研究的基礎，因此，關于動力學建模的相關研究一直是并聯機器人研究中的一個重點。由于并聯機器人為一種閉環形式的多運動支鏈系統，其結構比較復雜，建模步驟繁瑣、工作量大，而且有時需要借助動力學建模軟件，從而導致并聯機器人的動力學建模與控制在數學層面上脫節。因此，尋找一種系統、高效、簡潔的動力學解析建模方法一直是很多研究學者在動力學建模方面急需解決的一個難題。

牛頓-歐拉法和拉格朗日乘子法是目前最常用的兩種動力學建模方法。其中牛頓-歐拉法在并聯機器人建模中相對直觀，便于實現，但由于牛頓-歐拉法在建模過程中需要寫出每個連桿的運動方程，對于結構復雜、自由度數目較多和構型特殊的并聯機器人，在建模中系統未知量數目增多，迭代步驟復雜，工作量大。拉格朗日乘子法主要利用能量守恒的原理建立拉格朗日方程，從而避免了建模過程中的加速度和角加速度的計算，過程相對簡單，建立的模型比較簡潔并能夠適用于控制器的設計，但是建立的模型只局部有效，并對求解的收斂性要求很高。

雖然上述方法能夠實現并聯機器人的動力學建模，但也存在一些不足之處，例如：無法以一種系統化的方法快速、高效地建立動力學解析模型；無法快速建立并聯機器人在非完整約束條件下的解析模型；對存在非理想約束的并聯機器人，其建模過程十分困難，如無法建立關節摩擦力的解耦非線性解析模型，因此，對建立并聯機器人動力學模型特別是建立解析模型的新方法進行研究具有很大的必要性。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的在于提供一種二自由度冗余驅動并聯機器人的動力學建模方法，能夠解決現有具有多閉環結構的并聯機器人在建模過程需要借助輔助變量，較難得到精確的動力學解析模型問題，以及無法系統化建立在非理想約束下的動力學模型的問題。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案予以實現。

一種二自由度冗余驅動并聯機器人的動力學建模方法，所述方法包括：

步驟1，獲取二自由度冗余驅動并聯機器人包含的三個子系統，建立每個子系統的動力學模型；

步驟2，確定二自由度冗余驅動并聯機器人三個子系統之間的約束條件；

步驟3，根據二自由度冗余驅動并聯機器人三個子系統之間的約束條件，以及每個子系統的動力學模型，得到二自由度冗余驅動并聯機器人的動力學模型。

本發明技術方案的特點和進一步的改進為：

(1)步驟1具體包括如下子步驟：

(1a)二自由度冗余驅動并聯機器人包含三個子系統，每個子系統為包含主動桿和被動桿的二桿機構，從而每個子系統的拉格朗日函數為該子系統主動桿的動能與該子系統被動桿的動能之和；

(1b)根據每個子系統的拉格朗日函數以及Euler-Lagrange方程，得到每個子系統的動力學模型。

(2)子步驟(1a)具體為：