[發明專利]一種考慮關節摩擦的并聯機器人的動力學建模方法

有效

• 申請號: 201810185688.3
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108466289B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 惠記莊;趙睿英;武琳琳;羅麗;張澤宇
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00;G06F30/20
• 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技術領域，公開了一種考慮關節摩擦的并聯機器人的動力學建模方法，包括：獲取二自由度冗余并聯機器人的平面結構，將其分為三個開式支鏈子系統，建立每個開式支鏈子系統的動力學解析模型；獲取末端執行器的約束關系，建立與基座斷開連接的二自由度冗余并聯機器人的動力學模型；獲取每個子系統中主動關節與基座之間的運動約束關系，建立二自由度冗余并聯機器人的整體動力學模型；基于摩擦力經典模型建立二自由度冗余并聯機器人在每個主動關節處的摩擦力模型，得到考慮主動關節摩擦的并聯機器人的動力學模型，解決對于非線性并聯機器人，傳統動力學建模方法很難獲得并聯機器人關節摩擦力精確解析模型的問題。

技術領域

本發明屬于工業機器人建模與仿真技術領域，尤其涉及一種考慮關節摩擦的并聯機器人的動力學建模方法。

背景技術

由于并聯機器人關節運動副的實際接觸方式，即關節之間間隙的存在，導致關節間無可避免的會產生摩擦接觸現象，影響機器人系統的動力學行為，特別是主動關節的摩擦力和控制力矩耦合，當控制輸入增大時更無法忽略其關節摩擦力對系統的干擾。并聯機器人關節摩擦力具有高度的非線性，會使機器人在控制時產生控制誤差，影響控制精度和響應特性，因此，對其關節產生的摩擦力進行精確分析，建立并聯機器人摩擦力的精確解析模型，消除由關節摩擦力產生的控制誤差在對機器人進行控制時具有重要意義。

關于機器人摩擦力的補償一直是機器人控制領域內的重要課題，在各種摩擦力模型的基礎上，各國研究學者提出了的許多基于摩擦力模型的主動補償方法，其中應用較多的摩擦力模型包括經典的庫倫摩擦、Stribeck摩擦或這兩者的組合以及其他摩擦力模型。

目前，關于機器人的摩擦力補償控制大多采用具有參數離線辨識的摩擦力模型，該模型將機器人在摩擦接觸面的正向壓力視為常值，即取一個定值的正向壓力來線性化摩擦力模型，這對于很多機械系統，尤其像并聯機器人這樣典型的非線性系統是不準確的。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的在于提供一種考慮關節摩擦的并聯機器人的動力學建模方法，能夠解決對于非線性并聯機器人，傳統動力學建模方法很難獲得并聯機器人關節摩擦力精確解析模型的問題。

摩擦力為一種非理想約束，而Udwadia-Kalaba理論能夠得到非理想約束條件下多體系統的運動方程及約束力。因此，采用基于Udwadia-Kalaba理論的層級堆聚建模方法對并聯機器人約束力的解析表達式進行分析是一個可行的方法，而正向壓力屬于約束力的一部分，因此可以借助該建模方法獲得并聯機器人關節摩擦力解析模型，解決了傳統動力學建模方法很難得到摩擦力解析模型的難題。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案予以實現。

一種考慮關節摩擦的并聯機器人的動力學建模方法，所述方法包括：

步驟1，獲取二自由度冗余并聯機器人的平面結構，將二自由度冗余并聯機器人分為三個開式支鏈子系統，利用拉格朗日方程建立每個開式支鏈子系統的動力學解析模型；其中，每個開式支鏈子系統為包含主動關節和被動關節的二桿機構，且主動關節與基座斷開連接；

步驟2，獲取二自由度冗余并聯機器人末端執行器的約束關系，根據所述約束關系建立與基座斷開連接的二自由度冗余并聯機器人的動力學模型；

步驟3，獲取每個子系統中主動關節與基座之間的運動約束關系，根據所述每個主動關節與基座之間的運動約束關系建立二自由度冗余并聯機器人的整體動力學模型；

步驟4，基于摩擦力經典模型建立二自由度冗余并聯機器人在每個主動關節處的摩擦力模型；根據二自由度冗余并聯機器人的整體動力學模型以及二自由度冗余并聯機器人在每個主動關節處的摩擦力模型，得到考慮主動關節摩擦的并聯機器人的動力學模型，其中，摩擦力經典模型為庫倫摩擦力模型或者Stribeck摩擦力模型。

本發明技術方案的特點和進一步的改進為：