[发明专利]一种七自由度协作机器人刚度建模与辨识方法

说明书

本发明涉及协作机器人领域，具体地说是一种七自由度协作机器人刚度建模与辨识方法，包括如下步骤：步骤一：对机器人进行运动学建模，定义机器人关节参数；步骤二：对机器人进行刚度建模；步骤三：选择逆条件数作为最优方法的观察性指标，求解各关节对逆条件数的个体影响，并根据各关节对逆条件数的影响获得关节空间内的良好识别区域；步骤四：计算关节刚度。本发明对七自由度机器人刚度辨识位姿选取进行了研究，将逆条件数作为观察指标确定机器人灵活性较高的良好识别区域，提高了刚度模型的识别精度，可以有效地进行最优构型选择。

技术领域

本发明涉及协作机器人领域，具体地说是一种七自由度协作机器人刚度建模与辨识方法。

背景技术

随着中国工业化进程的的不断推进，市场对工业机器人的需求也在不断变化，其中机器人和人的协作需求催生了协作机器人的发展。

协作机器人是指能够在指定的协作区域内与人进行直接交互的机器人，具有人机融合、安全易用、灵敏精准及灵活通用的特点，不仅适应工业领域中小批量、多品种、用户定制的柔性制造需求，在应对老龄化的社会服务、康复医疗等领域也有潜在的应用前景，已经成为引领未来机器人发展的重要方向。协作机器人轻质、高负载自重比的设计理念要求机器人关节一体化、结构紧凑以及臂杆轻量化，这使协作机器人引入了大量的柔性因素，而连杆等结构件和支撑件对机器人整机刚度的影响不可忽略，这对整机刚度的提高带来了困难，从而影响了机器人的动态性能和精度。虚拟关节法是机器人刚度建模的常用方法，但建模工作量大，而对协作机器人而言，如何减少建模工作量又能保证建模的精度是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种七自由度协作机器人刚度建模与辨识方法，对七自由度机器人刚度辨识位姿选取进行了研究，将逆条件数作为观察指标确定机器人灵活性较高的良好识别区域，提高了刚度模型的识别精度，可以有效地进行最优构型选择。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种七自由度协作机器人刚度建模与辨识方法，包括如下步骤：

步骤一：对机器人进行运动学建模，定义机器人关节参数；

步骤二：对机器人进行刚度建模；

步骤三：选择逆条件数作为最优方法的观察性指标，求解各关节对逆条件数的个体影响，并根据各关节对逆条件数的影响获得关节空间内的良好识别区域；

步骤四：计算关节刚度。

步骤一中，将每两个相邻的连杆用改进的DH参数描述为：

其中是第i-1连杆的齐次变换矩阵，表示第i连杆坐标系到第i-1连杆坐标系的变换；

推导出七自由度机器人运动学方程为：

步骤二中，冗余机器人的刚度模型K_X简化为：

K_X＝(J)^TK_ΘJ       (6)；

上式(6)中，J表示机器人的雅克比矩阵，K_Θ表示关节刚度矩阵。

步骤二中，冗余机器人的刚度模型K_X简化过程如下：

通过刚度矩阵定义机器人在终点时的刚度性能，具体为：

F＝K_XΔt        (3)；

上式(3)中，F是施加在机器人端点上的外力和力矩矢量，Δt表示笛卡尔空间中机器人端点的弹性形变；

将冗余机器人的刚度模型K_X表示为：