[发明专利]基于动力学模型参数辨识的并联机器人控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人系统的控制方法，具体涉及基于动力学模型参数辨识的并联机器人控制方法。

背景技术

并联机器人是指基座和末端执行器之间包含多条运动链的机器人。由于拥有多条运动链，并联机器人的机械结构要比传统的串联机器人复杂得多，这使得并联机器人的运动学和动力学关系都非常复杂，而多条运动链对末端执行器运动的协调操作，更是给并联机器人的运动控制提出了挑战。在对并联机器人进行精确的运动控制时，往往要借助精确的动力学模型进行控制。并联机器人的动力学模型描述了并联机器人运动和各个关节力矩之间的关系，它是求解并联机器人前向动力学问题和反向动力学问题的基础。并联机器人前向动力学问题是在已知关节驱动力的情况下求解并联机器人的运动，而反向动力学问题则是在已知并联机器人运动的情况下求解各个关节的驱动力。由于并联机器人的多运动链结构和闭链约束，推导其动力学模型是比较复杂的。并联机器人动力学建模的主要方法归结为Newton-Euler法、Lagrange法，以及虚功原理(the principle of virtual work)三种方法，这三种方法在描述并联机器人的动态特性时是彼此等价的。有关并联机器人动力学的理论建模研究工作很多，但在理论模型基础上进一步实现动力学模型参数辨识的研究工作却很少。由于机械机构的复杂性所导致的装配与加工过程的复杂性，使得并联机器人的名义动力学模型参数往往不准确，特别是在考虑到关节摩擦力影响时，则必须通过实验来辨识并联机器人的模型参数。所谓名义动力学模型参数是指并联机器人关节连杆的质量、长度、质心、转动惯量的理论设计参数。因此，动力学模型参数辨识成为获得并联机器人精确动力学模型的唯一有效方法。

当前，人们充分认识到实现可靠、精确、有效的动力学辨识需要特别设计辨识实验。在进行辨识实验时，需要设计并联机器人的激励轨迹，所谓激励轨迹是指用于动力学辨识的并联机器人末端执行器的运动轨迹。在设计并联机器人的辨识实验时，当出现测量误差和驱动器扰动时，激励轨迹必须充分从而提供精确的参数估计。因此，为了改善辨识精度，并联机器人执行的激励轨迹需要在一定的准则下进行最优设计。目前，传统串联机器人动力学辨识的原理比较成熟，相应的激励轨迹设计方法也相对简单，这主要是由串联机器人的机械结构决定的。串联机器人的关节坐标是独立的，每一个关节的运动轨迹可以预先自由设计、互不约束。然而，对于并联机器人来说，由于其有效工作空间有限，并且存在多运动链构成的闭环约束，因此并联机器人的激励轨迹设计是一个挑战性问题，从而导致动力学模型参数辨识成为一个难以解决的技术问题。这个问题的复杂性主要体现在：首先，动力学模型方程非常复杂，难以设计出合适的参数辨识方法；其次，动力学模型参数的数值大小差别很大，某些小数值的参数的实际辨识结果不具有物理可实现性；第三，并联机器人末端执行器的有效工作空间非常小，在狭小的工作空间内难以设计充分激励轨迹，因此辨识的精度不高。为了实现并联机器人的精确动力学模型参数辨识，需要考虑其包含闭环运动链约束这一特殊机械结构。由于这种闭环运动链约束，并联机器人的关节坐标是彼此约束且耦合的，这也就是说，并不是所有的关节坐标都可以预先自由设计，因此必须利用广义坐标的独立性，在任务空间中进行激励轨迹的参数化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对并联机器人包含多个运动学链的闭环约束，且末端执行器的有效工作空间有限，导致激励轨迹设计和动力学模型参数辨识非常困难，无法精确辨识全部动力学模型参数而导致的并联机器人控制精度不高的问题，本发明提供了一种基于动力学模型参数辨识的控制方法实现并联机器人的运动控制，该方法中利用的动力学模型参数的辨识方法能够在工作空间中统一地实现激励轨迹的优化和动力学模型参数的辨识。

(二)技术方案

本发明的并联机器人的控制方法用于控制并联机器人的运动，包括如下步骤：S1、建立所述并联机器人的动力学模型；S2、根据所述并联机器人的动力学模型建立用于描述动力学辨识参数的最小二乘方程；S3、根据所述最小二乘方程，建立激励轨迹的优化准则，并且采用有限傅里叶级数来描述激励轨迹的数学模型；S4、控制并联机器人以最优激励轨迹作为期望运动轨迹，测量并计算实际运动轨迹；S5、利用辨识算法和实际运动轨迹对动力学模型参数进行辨识；S6、基于辨识动力学模型控制并联机器人的运动。