[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于動(dòng)力學(xué)模型的輕載關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811074443.X
• 申請(qǐng)日: 2018-09-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110909438B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁晗;顧文昊;肖武云;徐麗;楊君娟
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海沃迪智能裝備股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;G06F119/14;B25J9/16
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 葉敏華

1.一種基于動(dòng)力學(xué)模型的輕載關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

1)結(jié)合輕載關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)特性、受力特性及慣量屬性，選擇簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)部件，通過(guò)簡(jiǎn)化其動(dòng)力學(xué)模型將機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析簡(jiǎn)化為分別對(duì)機(jī)器人兩部分運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)分析；

2)獲取第一部分、第二部分中各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性，并確定兩部分之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)；

3)根據(jù)第一部分中各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性及受力特性，建立第一部分的動(dòng)力學(xué)模型；

4)根據(jù)第二部分中各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性及受力特性，建立第二部分的動(dòng)力學(xué)模型；

5)根據(jù)兩部分之間的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系，獲取機(jī)器人整體動(dòng)力學(xué)模型；

6)根據(jù)機(jī)器人整體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)輕載關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行控制；

選擇輕載關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人的從動(dòng)臂作為簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)部件，即基于從動(dòng)臂輕質(zhì)的特性，將其中一根從動(dòng)臂的質(zhì)量規(guī)劃至第一部分的一部分進(jìn)行計(jì)算，將另一根從動(dòng)臂的質(zhì)量規(guī)劃至第二部分的一部分進(jìn)行計(jì)算；

將機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析簡(jiǎn)化為分別對(duì)機(jī)器人兩部分運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)分析的具體內(nèi)容為：

通過(guò)簡(jiǎn)化從動(dòng)臂的動(dòng)力學(xué)分析，將機(jī)器人整體的動(dòng)力學(xué)分析按照部件分割為兩個(gè)部分，假設(shè)輕載關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人的從動(dòng)臂為不可拉伸、伸縮的輕質(zhì)桿件，以從動(dòng)臂的幾何尺寸作為空間幾何約束，將從動(dòng)臂一端的電機(jī)、減速器、主動(dòng)臂作為輕載關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人的第一部分，將另一端的動(dòng)平臺(tái)、TCP末端作為輕載關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人的第二部分，并利用從動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)和空間位置關(guān)系約束兩個(gè)部分之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)關(guān)系；

第一部分中各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性包括電機(jī)輸出扭矩、電機(jī)和減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、主動(dòng)臂質(zhì)量、主動(dòng)臂關(guān)于關(guān)節(jié)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、關(guān)節(jié)處摩擦、簡(jiǎn)化到主動(dòng)臂末端的從動(dòng)臂組件的一半質(zhì)量以及來(lái)自從動(dòng)臂對(duì)主動(dòng)臂施加的力；

第二部分中各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性包括動(dòng)平臺(tái)的各桿件質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，動(dòng)平臺(tái)負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，簡(jiǎn)化到動(dòng)平臺(tái)的從動(dòng)臂組件的另一半質(zhì)量，以及從動(dòng)臂對(duì)動(dòng)平臺(tái)施加的力從動(dòng)臂施加的力及動(dòng)平臺(tái)的等效慣量矩陣；

采用牛頓運(yùn)動(dòng)定律結(jié)合哥倫布摩擦模型和黏性摩擦模型的方法建立第一部分的動(dòng)力學(xué)模型；

采用牛頓歐拉法對(duì)第二部分進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，并根據(jù)拉格朗日方法求解動(dòng)平臺(tái)作為第二部分整體的等效質(zhì)量和等效慣量；

第一部分的動(dòng)力學(xué)模型的表達(dá)式為：

式中：I_a為主動(dòng)臂關(guān)節(jié)處的等效慣量，包括主動(dòng)臂關(guān)于關(guān)節(jié)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和簡(jiǎn)化到主動(dòng)臂末端的一半從動(dòng)臂組件的質(zhì)量關(guān)于關(guān)節(jié)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為關(guān)節(jié)摩擦，G(q)為抵消重力所需的扭矩消耗，F(xiàn)為從動(dòng)臂施加的力，為雅克比矩陣，τ為關(guān)節(jié)輸出矩陣，q為主動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的位置，為主動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的速度，為主動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的加速度；

假設(shè)輕載關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人包括四個(gè)主動(dòng)臂，將關(guān)節(jié)摩擦簡(jiǎn)化為哥倫布摩擦和黏性摩擦，則有：

式中，q₁、q₂、q₃、q₄分別為四個(gè)主動(dòng)臂的位置，f_c為關(guān)節(jié)處哥倫布摩擦系數(shù)，f_v為關(guān)節(jié)處黏性摩擦系數(shù)，F(xiàn)_c為四個(gè)關(guān)節(jié)處哥倫布摩擦力的向量形式，F(xiàn)_v為四個(gè)關(guān)節(jié)處黏性摩擦力的矩陣形式；

抵消重力所需的扭矩消耗G(q)的表達(dá)式為：

式中，m₁為單個(gè)主動(dòng)臂的質(zhì)量，L_c為主動(dòng)臂質(zhì)心到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)的距離，m₂為從動(dòng)臂組件中單件的質(zhì)量，即從動(dòng)臂組件的一半質(zhì)量，L為主動(dòng)臂的長(zhǎng)度尺寸，g為地表重力加速度；

第二部分的動(dòng)力學(xué)模型的表達(dá)式為：

式中，為雅克比矩陣，F(xiàn)為從動(dòng)臂施加的力，M_n為動(dòng)平臺(tái)的等效慣量矩陣，a_E為T(mén)CP在機(jī)器人笛卡爾坐標(biāo)系{O,x,y,z}中的加速度；

動(dòng)平臺(tái)的等效慣量矩陣M_n的表達(dá)式為：

m_eq＝m_pp+4m₂

其中，m_pp為動(dòng)平臺(tái)和負(fù)載的等效質(zhì)量，I_pp為動(dòng)平臺(tái)和負(fù)載的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

獲得第一部分與第二部分的動(dòng)力學(xué)模型后，通過(guò)二者的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系，求得機(jī)器人整體的動(dòng)力學(xué)模型為：