[發明專利]一種仿人柔性關節手臂機電耦合建模方法

有效

• 申請號: 202010019151.7
• 申請日: 2020-01-08
• 公開（公告）號: CN111086004B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 杜欽君;宋傳明
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;H02K7/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種仿人柔性關節手臂機電耦合建模方法，屬于仿人柔性手臂建模技術領域。所述方法包括：針對仿人柔性關節手臂物理特性復雜、傳統建模方法不考慮機電耦合因素影響的問題，以采用無刷直流電機為關節驅動電機的仿人柔性關節手臂為建模對象，考慮無刷直流電機電磁特性與手臂機械特性耦合關系，定義系統電、磁場廣義坐標，構建引入驅動電機磁場能項的拉格朗日—麥克斯韋算子，建立系統機電耦合數學模型，完整描述了系統的機電耦合狀態。相較于其他建模方法，本發明建立了從驅動電機電氣輸入量到柔性關節手臂機械輸出量的耦合數學關系，描述了采用無刷直流電機驅動的仿人柔性關節手臂系統的機電耦合特性。

技術領域

本發明提供一種仿人柔性關節手臂建模方法，具體提供一種采用無刷直流電機驅動的仿人柔性關節機械臂機電耦合模型建模方法，屬于仿人柔性手臂建模技術領域。

背景技術

隨著工業現場的復雜度增加、航空航天領域的不斷發展以及機器人在服務產業中的應用，機械臂的工作任務逐漸從原本的粗放操作任務轉變為無預設環境的接觸性任務。與傳統剛性機械臂相比，仿人柔性關節手臂在模擬人類手臂繞軸旋轉的運動方式的基礎上，具備了模仿人類手臂“柔順性”的能力，可以更好地適應復雜的作業環境。然而仿人柔性關節機械臂具有復雜的物理特性，系統本身以電氣量為輸入、機械量為輸出，通過電磁耦合實現機、電轉換，是典型的機電耦合系統。因此，對系統電氣參數與機械參數耦合關系的描述程度將直接影響仿人柔性關節手臂系統的控制精度。現有的仿人柔性關節手臂多采用拉格朗日動力學方程進行建模，該方法只能描述手臂動力學特性，忽略了無刷直流電機電磁特性與手臂機械特性的耦合關系，因此傳統建模方法無法描述關節驅動電機運行狀態對系統的影響，也無法得出整機系統完整的控制規律。

發明內容

本發明的目的是提出一種采用無刷直流電機驅動的仿人柔性關節機械臂機電耦合模型的建模方法，主要解決現有建模方法難以描述系統電磁、機械變量耦合關系的問題。本發明基于拉格朗日—麥克斯韋動力學方程，定義系統電氣參數廣義坐標，通過在算子中引入無刷直流電機磁場能項，建立了仿人柔性關節手臂系統的完整機電耦合模型。

一種仿人柔性關節機械臂機電耦合建模方法，針對仿人柔性關節手臂物理特性復雜、傳統建模方法不考慮機電耦合因素影響的問題，考慮無刷直流電機電磁特性與手臂機械特性耦合關系，建立系統機電耦合數學模型，明確了以無刷直流電機為驅動電機的仿人柔性關節手臂系統的電氣控制量與機械輸出量之間的數學關系，描述了系統的耦合運動狀態。其特征在于：包括以下過程：

步驟一、建立考慮仿人柔性關節機械臂機電耦合特性的拉格朗日—麥克斯韋廣義坐標方程的一般形式：

拉格朗日-麥克斯韋方程廣義坐標形式為：

其中，L為拉格朗日—麥克斯韋算子；表示對應于廣義坐標的非保守廣義力；F_h表示系統耗散函數；

拉格朗日—麥克斯韋算子L表示為：

L＝T+W_m-E_p (2)

其中，T為系統動能；W_m為驅動電機磁場能；E_p為系統勢能；

步驟二、定義考慮系統機電耦合因素的廣義坐標量；

定義仿人柔性關節手臂廣義坐標如表1所示。表中，q_abc為電機三相定子電量；i_abc為三相定子電流；ψ_pm為轉子永磁體磁勢；F_j(j＝1,2,3,4,5,)分別表示相應的廣義坐標廣義力；

表1系統廣義坐標定義

步驟三、計算拉格朗日—麥克斯韋算子及系統耗散函數，過程為：

(1)計算系統動能T