[發明專利]一種基于機械臂柔性變形的工業機器人動力學建模方法

有效

• 申請號: 202111023430.1
• 申請日: 2021-08-31
• 公開（公告）號: CN113849993B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 王天楊;劉目珅;張飛斌;褚福磊
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 陳英俊

一種基于機械臂柔性變形的工業機器人動力學建模方法，包括以下步驟：首先根據ABAQUS軟件建立模型，確定模型網格參數、動力學建模參數和邊界條件，然后使用控制方程求解機械臂柔性變形后的單元節點位置，進而根據正運動學計算出旋轉后的單元節點位置，對此時的單元逆向運動求解單元節點純變形，計算出單元節點內力；根據慣性力確定單元節點外力，最后對單元節點位置和計算時間進行更新；對上述步驟進行迭代計算，直至計算時間達到最終時間。本發明將機械臂桿件柔性考慮到動力學模型中，有效模擬出因機械臂柔性產生的末端抖動現象，為工業機器人振動機理的研究及提高定位精度提供了理論基礎；并且推導流程簡潔，適合編程計算，具有實用意義。

技術領域

本發明涉及一種工業機器人動力學建模方法，特別涉及一種基于機械臂柔性變形的工業機器人動力學建模方法，屬于動力學建模技術領域。

背景技術

隨著對工業機器人精度要求的不斷增加，工業機器人機械臂柔性變形導致的振動問題已無法忽略，傳統消除工業機器人機械臂柔性變形的方法從提升機器人整體剛度的角度著手，對機械臂材料和結構進行冗余設計，但是這種設計使得工業機器人產生平順性差、耗能高和響應慢的問題，不得不進行輕量化、柔性懸掛設計，進而又會加劇工業機器人柔性變形的影響。

工業機器人動力學建模能夠對機械臂柔性變形機理進行分析，對進一步提高工業機器人定位精度和實時性能有著重要意義。傳統的工業機器人動力學建模方法主要有Lagrange、Newton-Euler以及Kane法，多基于工業機器人機械臂剛性假設，而采用有限單元法為主的柔性變形分析方法，對于工業機器人這種剛體大轉動-多柔體變形耦合的模型，常面臨求解效率低，剛度矩陣病態甚至無法求解的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于機械臂柔性變形的工業機器人動力學建模方法，使其能夠簡便、準確的建立工業機器人動力學模型，以解決機械臂柔性變形對末端精度的影響，為工業機器人振動機理的研究以及提高定位精度，提供理論基礎。

本發明采用如下技術方案：

一種基于機械臂柔性變形的工業機器人動力學建模方法，特征在于該方法包括以下步驟：

步驟1，采用ABAQUS軟件使用六面體單元網絡建立工業機器人物理模型，模型所在全局坐標系O-XYZ的坐標軸方向為：e_x＝[1 0 0]^T,e_y＝[0 1 0]^T,e_z＝[0 0 1]^T，獲得模型網格參數，確定動力學建模參數和邊界條件；

步驟2，根據步驟1的模型網格參數，動力學建模參數以及邊界條件，使用結合牛頓運動學和顯式中心差分的控制方程求解機械臂柔性變形后的單元節點位置；

式中，為第n+1步機械臂柔性變形后的單元節點i的位置；為第n步機械臂柔性變形后的單元節點i的位置；n為計算步數；ξ為阻尼系數,h為計算步長,m為單元節點質量；F_iⁿ為單元節點i的單元節點力，f_iⁿ為單元節點i的單元節點內力，為單元節點i的單元節點外力，i＝a,b,c...,g,h；

步驟3，根據正運動學對單元節點位置和以關節為旋轉中心旋轉角度θ，獲得旋轉后的機械臂單元節點位置和

步驟4，以第n+1步的單元質心為參考點，將第n+1步的單元分別對應逆向運動至第n步的單元位置上，使得相鄰兩步的單元充分重合，進而根據經過逆向運動后虛擬單元節點位置與第n步的單元節點位置的差值計算出單元節點i的純變形q_i；