[發(fā)明專利]用于操作機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法及機(jī)械臂的中央控制方法和系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010966815.0
• 申請(qǐng)日: 2020-09-15
• 公開（公告）號(hào): CN112045687B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 單新平;張樂;嚴(yán)作海
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州新劍機(jī)器人技術(shù)股份有限公司
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 上海弼興律師事務(wù)所 31283
• 代理人: 胡美強(qiáng)

本發(fā)明公開了一種用于操作機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法及機(jī)械臂的中央控制方法和系統(tǒng)，該機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法包括：以關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角作為廣義坐標(biāo)，通過遞推的方式計(jì)算所述機(jī)械臂上各連桿坐標(biāo)系的線加速度及角加速度；計(jì)算所述機(jī)械臂的整體高斯拘束量及所述整體高斯拘束量對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角加速度的一階偏導(dǎo)數(shù)；利用高斯最小拘束原理計(jì)算關(guān)節(jié)角加速度，積分計(jì)算關(guān)節(jié)速度及關(guān)節(jié)角度；計(jì)算關(guān)節(jié)力矩；計(jì)算系統(tǒng)動(dòng)量、系統(tǒng)能量；基于動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果在中央控制器中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真、重力補(bǔ)償、位置控制、力控制、碰撞檢測等功能。本發(fā)明有助于降低機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)問題計(jì)算中所需的計(jì)算量，提高計(jì)算結(jié)果的精確度，并能夠適應(yīng)新型機(jī)械臂的操作對(duì)中央控制器的需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械臂或機(jī)械臂中央控制系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于操作機(jī)械臂的機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法、機(jī)械臂的中央控制方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

操作機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)仿真、重力補(bǔ)償、位置控制、力控制和碰撞檢測等功能都需要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。機(jī)械臂的仿真及碰撞檢測等功能需要通過對(duì)動(dòng)力學(xué)正問題進(jìn)行計(jì)算以獲得系統(tǒng)的加速度、動(dòng)能、動(dòng)量，因而要求動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法具有長時(shí)間的穩(wěn)定性及較高的計(jì)算精度。機(jī)械臂的重力補(bǔ)償、位置控制、力控制等功能需要對(duì)動(dòng)力學(xué)反問題進(jìn)行計(jì)算以獲得關(guān)節(jié)力矩，要求動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法具有較高的計(jì)算效率以及較高的實(shí)時(shí)性能。完整的動(dòng)力學(xué)計(jì)算流程包括數(shù)據(jù)輸入、建立動(dòng)力學(xué)方程、求解動(dòng)力學(xué)方程、結(jié)果輸出等步驟。

在對(duì)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行建模時(shí)，最常用的方法包括拉格朗日法以及牛頓-歐拉法。基于拉格朗日法的計(jì)算方法取關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角作為廣義坐標(biāo)，利用第二類拉格朗日方程推導(dǎo)得到系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。拉格朗日法建模得到的動(dòng)力學(xué)方程中，通過計(jì)算慣性力項(xiàng)、廣義力項(xiàng)并求和后可用于計(jì)算關(guān)節(jié)力矩以完成動(dòng)力學(xué)反問題的計(jì)算，對(duì)質(zhì)量陣求逆后可利用動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算關(guān)節(jié)角加速度，進(jìn)行積分后可獲得系統(tǒng)的速度及位置，從而完成動(dòng)力學(xué)正問題的計(jì)算。對(duì)于常見的6自由度機(jī)械臂，基于拉格朗日法的計(jì)算方法得到的是高度非線性且冗長的動(dòng)力學(xué)方程，在實(shí)際使用時(shí)需要根據(jù)具體的機(jī)械臂構(gòu)型推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)于不同類型的機(jī)械臂建模得到的是不同的動(dòng)力學(xué)方程，此方法建模難度大，計(jì)算效率差。只有在針對(duì)特定型號(hào)的機(jī)械臂進(jìn)行開發(fā)的機(jī)器人控制器中才能使用此方法作為動(dòng)力學(xué)問題的計(jì)算方法，不能在通用型機(jī)器人中央控制器中作為建模方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。

基于牛頓-歐拉法的計(jì)算方法通過正向遞推計(jì)算機(jī)械臂上各連桿的質(zhì)心速度、加速度，通過逆向遞推計(jì)算關(guān)節(jié)力矩。牛頓-歐拉法建模得到的模型可以直接用于機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)反問題的計(jì)算，通過多次調(diào)用牛頓-歐拉法可以間接計(jì)算動(dòng)力學(xué)方程中的質(zhì)量陣，從而計(jì)算關(guān)節(jié)角加速度以完成動(dòng)力學(xué)正問題的計(jì)算。基于牛頓-歐拉法的計(jì)算方法需要進(jìn)行正向遞推及反向遞推，遞推過程會(huì)不斷累積舍入誤差，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精確度較差。對(duì)于動(dòng)力學(xué)正問題，基于牛頓-歐拉法的計(jì)算方法由于需要通過多次遞推計(jì)算質(zhì)量陣，其計(jì)算效率差，且計(jì)算結(jié)果僅能對(duì)短時(shí)間的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行預(yù)測，不能用于長時(shí)間的動(dòng)力學(xué)仿真。通常，機(jī)器人控制器中僅使用該方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)反問題的計(jì)算，而不能同時(shí)具有計(jì)算動(dòng)力學(xué)正問題的功能，無法為基于模型的位置控制、力控制及碰撞檢測等功能提供必要的支持。

現(xiàn)有機(jī)器人控制器中僅對(duì)動(dòng)力學(xué)計(jì)算功能進(jìn)行直接集成，只能針對(duì)特定任務(wù)設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)問題計(jì)算方案，沒有通用的軟件架構(gòu)，控制器的整體架構(gòu)不會(huì)根據(jù)動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行優(yōu)化。無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的模塊化、通用化，現(xiàn)有動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法無法處理同時(shí)涉及多種動(dòng)力學(xué)問題計(jì)算需求的情形，導(dǎo)致機(jī)器人控制器的功能單一、性能不佳，不能適應(yīng)新型機(jī)械臂的操作對(duì)中央控制器的需求。

因此，亟需設(shè)計(jì)一種新的用于操作機(jī)械臂的機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，并基于新的動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法設(shè)計(jì)中央控制方法和系統(tǒng)，以至少部分解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有的機(jī)械臂系統(tǒng)中涉及動(dòng)力學(xué)計(jì)算功能的方法無法兼顧多種動(dòng)力學(xué)問題的計(jì)算需求因而限制了相關(guān)機(jī)械臂及機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能和性能的缺陷，提出一種新的用于操作機(jī)械臂的機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法、機(jī)械臂的中央控制方法和中央控制系統(tǒng)。

本發(fā)明是通過采用下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：