[发明专利]一种机械臂关节实时动力学建模方法

说明书

本发明公开一种机械臂关节实时动力学建模方法，包括以下步骤：1、建立机械臂关节的动力学模型；所述动力学模型即为电机转矩与电机转动惯量、摩擦力及负载转矩平衡方程；2、测量上述动力学模型参数：3、构建机械臂关节的扭转刚度线性模型；4、构建机械臂关节的摩擦力矩拟合模型；5、将步骤3和步骤4中的模型代入步骤一中即可完成实时化建模，本发明能够降低关节动力学模型计算时间，实现机械臂的实时仿真。

技术领域

本发明属于动力学建模与仿真领域，具体涉及一种机械臂关节实时动力学建模方法，本发明方法适用于大型空间机械臂实时动力学仿真、半物理仿真与试验，在既满足实时性的前提下，又不损失动力学分析精度。

背景技术

空间站机械臂是我国载人航天后续工程的重大关键技术之一，用于保障空间站在轨寿命期间内安全、可靠运营，空间站组装建造、维护维修、辅助航天员出舱活动、支持空间应用等任务，是保证我国空间站工程的关键装备。

由于空间站在机械臂布局、包络、质量等方面均提出较为苛刻的约束条件，导致机械臂具有长径比大、柔性明显等特点，另外机械臂在轨任务多样、操作对象多、负载变化大的特点，按照空间条件设计的机械臂无法在地面上依靠物理样机进行任务验证，使得机械臂任务验证成为机械臂产品设计和应用的最主要难题之一。数学仿真和半物理仿真是解决这一难题的最主要手段，美国、加拿大等国的机械臂的研制过程表明，机械臂的建模、仿真与验证工作在机械臂的设计、使用及后续任务的开展中都起到了重要作用。

半物理仿真系统是指既包含数字模型又包含实际硬件产品的仿真系统，空间站机械臂半物理仿真系统一般将空间站机械臂的机械部分(即空间站机械臂的动力学特性)用数字模型描述，电子、逻辑部分(如关节控制器、中央控制器)等以实际硬件产品来替代，同时，为了支持实际硬件产品的使用，数字模型的计算周期须在实际硬件产品的通信周期内且计算结果正确，即数字模型须满足实时性与准确性的要求。

基于以上考虑，我国空间站机械臂的开发对机械臂实时动力学模型有着迫切的需求。空间机械臂关节是提供动力、感知位置和实现臂杆间机械连接的重要部件，是保证机械臂运动范围、运动精度和运动平稳性的关键，一般采用多级行星齿轮传动系统(如图1所示)，其动力学模型的准确性直接决定了整臂模型的准确性。

加拿大SPAR公司在研究SRMS关节动力学《Structural Flexibility of theShuttle Remote Manipulator System Mechanical Arm》、《Upgrade of the SRMS MathModel To Support the Orbiter Tile Repair Maneuver》时，将关节简化为一个非线性扭簧(如图2所示)，关节摩擦力矩模型简化为库仑摩擦模型，忽略阻尼。日本宇宙航空研究开发机构也将JEMRMS关节简化为此类弹簧-摩擦力模型《Development of JapaneseExperiment Module Remote Manipulator System》，此模型目前广泛应用于空间机械臂多体动力学建模中。

然而，刚度-摩擦力模型由于其具有明显的非线性特性，当关节运动速度较低时，需时刻判断关节摩擦力矩类型，在逻辑运算上耗费较多的计算性能，也不能直接应用到关节实时动力学模型中。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种机械臂关节实时动力学建模方法，能够降低关节动力学模型计算时间，实现机械臂的实时仿真。

实现本发明的技术方案如下：

一种机械臂关节实时动力学建模方法，包括以下步骤：

步骤1、建立机械臂关节的动力学模型；所述动力学模型即为电机转矩与电机转动惯量、摩擦力及负载转矩平衡方程；

步骤2、测量上述动力学模型参数：

步骤3、构建机械臂关节的扭转刚度线性模型；