[发明专利]一种考虑关节摩擦的并联机器人的动力学建模方法

说明书

本发明属于工业机器人建模与仿真技术领域，公开了一种考虑关节摩擦的并联机器人的动力学建模方法，包括：获取二自由度冗余并联机器人的平面结构，将其分为三个开式支链子系统，建立每个开式支链子系统的动力学解析模型；获取末端执行器的约束关系，建立与基座断开连接的二自由度冗余并联机器人的动力学模型；获取每个子系统中主动关节与基座之间的运动约束关系，建立二自由度冗余并联机器人的整体动力学模型；基于摩擦力经典模型建立二自由度冗余并联机器人在每个主动关节处的摩擦力模型，得到考虑主动关节摩擦的并联机器人的动力学模型，解决对于非线性并联机器人，传统动力学建模方法很难获得并联机器人关节摩擦力精确解析模型的问题。

技术领域

本发明属于工业机器人建模与仿真技术领域，尤其涉及一种考虑关节摩擦的并联机器人的动力学建模方法。

背景技术

由于并联机器人关节运动副的实际接触方式，即关节之间间隙的存在，导致关节间无可避免的会产生摩擦接触现象，影响机器人系统的动力学行为，特别是主动关节的摩擦力和控制力矩耦合，当控制输入增大时更无法忽略其关节摩擦力对系统的干扰。并联机器人关节摩擦力具有高度的非线性，会使机器人在控制时产生控制误差，影响控制精度和响应特性，因此，对其关节产生的摩擦力进行精确分析，建立并联机器人摩擦力的精确解析模型，消除由关节摩擦力产生的控制误差在对机器人进行控制时具有重要意义。

关于机器人摩擦力的补偿一直是机器人控制领域内的重要课题，在各种摩擦力模型的基础上，各国研究学者提出了的许多基于摩擦力模型的主动补偿方法，其中应用较多的摩擦力模型包括经典的库伦摩擦、Stribeck摩擦或这两者的组合以及其他摩擦力模型。

目前，关于机器人的摩擦力补偿控制大多采用具有参数离线辨识的摩擦力模型，该模型将机器人在摩擦接触面的正向压力视为常值，即取一个定值的正向压力来线性化摩擦力模型，这对于很多机械系统，尤其像并联机器人这样典型的非线性系统是不准确的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种考虑关节摩擦的并联机器人的动力学建模方法，能够解决对于非线性并联机器人，传统动力学建模方法很难获得并联机器人关节摩擦力精确解析模型的问题。

摩擦力为一种非理想约束，而Udwadia-Kalaba理论能够得到非理想约束条件下多体系统的运动方程及约束力。因此，采用基于Udwadia-Kalaba理论的层级堆聚建模方法对并联机器人约束力的解析表达式进行分析是一个可行的方法，而正向压力属于约束力的一部分，因此可以借助该建模方法获得并联机器人关节摩擦力解析模型，解决了传统动力学建模方法很难得到摩擦力解析模型的难题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种考虑关节摩擦的并联机器人的动力学建模方法，所述方法包括：

步骤1，获取二自由度冗余并联机器人的平面结构，将二自由度冗余并联机器人分为三个开式支链子系统，利用拉格朗日方程建立每个开式支链子系统的动力学解析模型；其中，每个开式支链子系统为包含主动关节和被动关节的二杆机构，且主动关节与基座断开连接；

步骤2，获取二自由度冗余并联机器人末端执行器的约束关系，根据所述约束关系建立与基座断开连接的二自由度冗余并联机器人的动力学模型；

步骤3，获取每个子系统中主动关节与基座之间的运动约束关系，根据所述每个主动关节与基座之间的运动约束关系建立二自由度冗余并联机器人的整体动力学模型；

步骤4，基于摩擦力经典模型建立二自由度冗余并联机器人在每个主动关节处的摩擦力模型；根据二自由度冗余并联机器人的整体动力学模型以及二自由度冗余并联机器人在每个主动关节处的摩擦力模型，得到考虑主动关节摩擦的并联机器人的动力学模型，其中，摩擦力经典模型为库伦摩擦力模型或者Stribeck摩擦力模型。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：