一種六自由度機器人末端負載動力學參數辨識裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種六自由度機器人末端負載動力學參數辨識裝置，包括六軸工業機器人、可替換地設置在所述六軸工業機器人末端的若干不同質量的負載、實時控制系統，所述的實時控制系統用于對機器人實施毫秒級的實時運動數據采集；采集的實時運動數據包括編碼器值，力矩值。本發明專利技術還公開了一種六自由度機器人末端負載動力學參數辨識方法。本發明專利技術采用了優化的激勵軌跡進行數據采樣，以拉格朗日方程建立動力學模型，采用帶權最小二乘法求解辨識參數；傳感系統采用高效實時控制系統，可實現對機器人的毫秒級的實時數據采集，包括位移、電機輸出等，采集數據量可擴展，具有可變性的特點，滿足對工業機器人末端負載動力學參數的辨識。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及應用于末端負載動力學參數辨識的方法及六自由度工業機器人裝置，既涉及機械結構的改進，也涉及算法上的創新以及高效傳感系統，為辨識得到末端不同負載動力學參數提供了測試方法及工具。
技術介紹
當今，機器人動力學參數辨識的測試裝置很多。包括四自由度的以及六自由度的工業機器人。工業機器人的仿真和控制都需要有一個精確的機器人動力學模型。目前，許多輕型高性能的機器人廣泛采用具有相對柔性的諧波驅動器來驅動關節運動，關節柔性不可忽略。因此建立精確的柔性關節機器人動力學模型，需要有比較好的參數辨識方法。對于工業機器人來說，通常只有電機位置和電機力矩數據可測。因此用于柔性關節機器人動力學參數辨識的外加傳感器主要有加速度傳感器，連桿位置和速度傳感器，力矩傳感器等。從實際應用的角度來說，因為對機器人來說，增加額外的內部傳感器不但成本昂貴，而且有時是無法實現的。因此，許多學者提出了僅僅需要電機力矩和電機位置信息的辨識方法。在這些方法中，彈性偏差不是采用附加傳感器測量的，而是通過解包含未知參數的運動方程得到的。目前，末端負載動力學參數辨識的方法各不同。對于不同型號的工業機器人來說，建立的動力學模型以及最優的激勵軌跡是不一樣的。采用的傳感系統也有所差異，因而數據的采集途徑也不相同。然而，很多六自由度工業機器人末端負載動力學參數辨識的平臺辨識效果不是很理想，因為所用的軟硬件的兼容性不佳以及算法的選擇不當，導致辨識的結果存在很大的誤差。
技術實現思路
為解決對工業機器人末端負載動力學參數辨識的問題，本專利技術提供了一種六自由度機器人末端負載動力學參數辨識裝置及方法，利用機械結構上一系列不同的負載來設計辨識負載的實驗方案，設計最優激勵軌跡，從而用實時控制系統采集數據，為辨識負載動力學參數結果提供了外在條件。本專利技術的目的通過如下技術方案實現：一種六自由度機器人末端負載動力學參數辨識裝置，包括六軸工業機器人、可替換地設置在所述六軸工業機器人末端的若干不同質量的負載、實時控制系統，所述的實時控制系統用于對機器人實施毫秒級的實時運動數據采集。進一步地，采集的實時運動數據包括編碼器值，力矩值。進一步地，所述的負載的材料為鋼。一種基于所述裝置的六自由度機器人末端負載動力學參數辨識方法，包括步驟：(1)根據拉格朗日方程建立動力學模型；(2)設計激勵軌跡；(3)通過實時控制系統對機器人實施毫秒級的實時數據采集，并對多次采樣數據作平均以及中心差分法提高信噪比；(4)負載參數辨識，將參變量代入建好的動力學模型，然后估計出要辨識的動力學參數；(5)模型驗證，利用辨識到的負載動力學參數計算出力矩理論值與讀取到的實際力矩值相比較，驗證模型準確度。進一步地，所述的步驟(1)具體包括：(11)、選定廣義坐標，建立有限維模型，選擇關節變量和柔性連桿的模態坐標為廣義坐標；(12)、建立動能，勢能和虛功表達式；(13)、對拉格朗日方程進行推導和整理，推導出必要的慣性力項、科氏力和向心力項、重力項、摩擦力項；(14)、將拉格朗日動力學方程整合成計算力矩的線性方程形式。進一步地，所述的步驟(14)具體包括：(141)根據：ddt(∂L∂q·)-(∂L∂q)=τ]]>推導后得出完整的動力學公式：τi=Σj=16Dijqj··+Iaiqi··+Σj=16Σk=16Dijkqj·qk·+Di+Fsjsign(qj·)+Fvjqj·,]]>其中，計算的慣性參數項為：Dij=Σp=maxi,j6Trace(∂Tp∂qjJp∂TpT∂qi),]]>Tp是坐標系P相對于基坐標系0的變換矩陣；qi為各個關節角度值；JP是偽慣性矩陣：Jp=-Ipxx+Ipyy+Ipzz2IpxpIpxzmpxp‾IpxyIpxx-Ipyy+Ipzz2Ipyzmpyp‾IpxzIpyzIpxx+Ipyy-Ipzz2mpz‾pmpx‾pmpy‾pmpz‾pmp]]>計算的向心力和科氏力系數項為：Dijk=Σp=maxi,j,k6Trace(∂2Tp∂qj∂qkJp∂Tp∂qi)]]>計算的重力項為Di=Σp=i6-mpgT∂Tp∂qir‾pp]]>計算的摩擦力項：τfj=Fsjsign(qj·)+Fvjqj·]]>Fvj,Fsj是粘性摩擦力，庫倫摩擦力系數；(142)最后將拉格朗日動力學方程化簡，提取要辨識的基礎動力學參數χ：W=W1q1(t)q1(t)·q1(t)··W3q2(t)q2(t)·q2(t)··W3q3(t)q3(t)·q3(t)··W4q4(t)q4(t)·q4(t)··W5q5(t)q5(t)·q5(t)··W6q6(t)q6(t)·q6(t)··τ=τ1(t)τ2(t)τ3(t)τ4(t)τ5(t)τ6(t),]]>計算力矩的線性方程可化為：τ＝Wχ+ρ。進一步地，所述步驟(2)具體包括：設計采用周期性軌跡，每個關節的激勵軌跡是正弦和余弦函數的代數和，即有限的傅立葉級數函數，則機器人每個關節的關節位置qi,速度和加速度規劃如下qi(t)=qi0+Σl=1Nalisin(wflt)-blicos(wflt)q·i(t)=Σl=1Naliwflcos(wflt)+bliwflsin(wflt)q··i(t)=Σl=1N-ali(wfl)2sin(wflt)+bli(wfl)2cos(wflt).]]>進一步地，所述步驟(4)具體包括：(41)結合三種不同的負載辨識方法對負載動力學參數進行辨識，第一負載辨識方法利用已經簡化出來的基礎動力學參數的耦合項進行差值相減，得到的差值再與三維制圖軟件得到的負載慣量數據進行誤差分析進行辨識；第二負載辨識方法利用有無負載時讀取的力矩數值進行辨識；第三負載辨識方法利用全局辨識機器人動力學參數與負載參數。(42)從三種辨識結果中選取最優辨識結果。進一步地，所述的步驟(41)中：所述的第一負載辨識方法包括步驟：(401)根據方程τ＝Wχ+ρ，用最小二乘法計算出估計值χ；(402)選取最優本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種六自由度機器人末端負載動力學參數辨識裝置，其特征在于：包括六軸工業機器人、可替換地設置在所述六軸工業機器人末端的若干不同質量的負載、實時控制系統，所述的實時控制系統用于對機器人實施毫秒級的實時運動數據采集。

【技術特征摘要】
1.一種六自由度機器人末端負載動力學參數辨識裝置，其特征在于：包括六軸工業機器人、可替換地設置在所述六軸工業機器人末端的若干不同質量的負載、實時控制系統，所述的實時控制系統用于對機器人實施毫秒級的實時運動數據采集。2.根據權利要求1所述的六自由度機器人末端負載動力學參數辨識裝置，其特征在于：采集的實時運動數據包括編碼器值，力矩值。3.根據權利要求1所述的六自由度機器人末端負載動力學參數辨識裝置，其特征在于：所述的負載的材料為鋼。4.一種基于權1至權任一項所述裝置的六自由度機器人末端負載動力學參數辨識方法，其特征在于，包括步驟：(1)根據拉格朗日方程建立動力學模型；(2)設計激勵軌跡；(3)通過實時控制系統對機器人實施毫秒級的實時數據采集，并對多次采樣數據作平均以及中心差分法提高信噪比；(4)負載參數辨識，將參變量代入建好的動力學模型，然后估計出要辨識的動力學參數；(5)模型驗證，利用辨識到的負載動力學參數計算出力矩理論值與讀取到的實際力矩值相比較，驗證模型準確度。5.根據權利要求4所述的六自由度機器人末端負載動力學參數辨識方法，其特征在于，所述的步驟(1)具體包括：(11)、選定廣義坐標，建立有限維模型，選擇關節變量和柔性連桿的模態坐標為廣義坐標；(12)、建立動能，勢能和虛功表達式；(13)、對拉格朗日方程進行推導和整理，推導出必要的慣性力項、科氏力和向心力項、重力項、摩擦力項；(14)、將拉格朗日動力學方程整合成計算力矩的線性方程形式。6.根據權利要求5所述的六自由度機器人末端負載動力學參數辨識方法，其特征在于，所述的步驟(14)具體包括：(141)根據：ddt(∂L∂q·)-(∂L∂q)=τ]]>推導后得出完整的動力學公式：τi=Σj=16Dijqj··+Iaiqi··+Σj=16Σk=16Dijkqj·qk·+Di+Fsjsign(qj·)+Fvjqj·,]]>其中，計算的慣性參數項為：Dij=Σp=maxi,j6Trace(∂Tp∂qjJp∂TpT∂qi),]]>Tp是坐標系P相對于基坐標系0的變換矩陣；qi為各個關節角度值；JP是偽慣性矩陣：Jp=-Ipxx+Ipyy+Ipzz2IpxyIpxzmpxp‾IpxyIpxx-Ipyy+Ipzz2Ipyzmpyp‾IpxzIpyzIpxx+Ipyy-Ipzz2mpzp‾mpx‾pmpy‾pmpz‾pmp]]>計算的向心力和科氏力系數項為：Dijk=Σp=maxi,j,k6Trace(∂2Tp∂qj∂qkJp∂Tp∂qi)]]>計算的重力項為Di=Σp=i6-mpgT∂Tp∂qir‾pp]]>計算的摩擦力項：τfj=Fsjsign(qj·)+Fvjqj·]]>Fvj,Fsj是粘性摩擦力，庫倫摩擦力系數；(142)最后將拉格朗日動力學方程化簡，提取要辨識的基礎動力學參數χ：W=W1q1(t)q1(t)·q1(t)·&Cen...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張鐵，覃彬彬，鄒焱飚，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44