[发明专利]一种多连杆柔性机器人的动力学、工作空间及刚度建模方法及装置

说明书

本发明公开了一种多连杆柔性机器人的动力学、工作空间及刚度建模方法及装置，通过牛顿欧拉法求得主动绳索驱动的动力学方程后，进一步计算联动绳索的动力学方程，进而组装成完整的柔性机器人动力学方程，并通过非线性二次规划法求得绳索拉力最小条件下动力学最优解，根据运动学方程建立最大工作空间求解的优化方程，实现最大工作空间的求解，并分别建立驱动绳索和主动绳索在关节空间的刚度矩阵方程，利用虚功原理将关节空间刚度转换到末端笛卡尔空间刚度求得末端的等效刚度矩阵，再结合柔性机器人的结构特点，将联动绳索产生的刚度与驱动绳索产生的刚度进行叠加组装出柔性机器人末端等效的刚度模型，利用等效建模方法实现了柔性机器人完整的刚度模型求解。

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其是一种多连杆柔性机器人的动力学、工作空间及刚度建模方法及装置。

技术背景

随着机器人面临的环境越来越复杂，很多特殊的工况需要机器人具有超冗余柔性运动的特性。特别是狭小空间的穿越、核电站特殊工况以及特种的工业现场，需要机器人具备灵活的运动特性以避开非结构化的环境，和电路元器件与操作部分的机构进行分离以避免信号干扰和特殊的辐射环境。多连杆绳驱柔性机器人自由度比较多、机电分离、纤细的结构特点以及灵活的运动特性使其非常适合于复杂非结构化场景。然而，其动力学、工作空间和刚度的求解一直是个热门热点问题。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明旨在于提供一种多连杆柔性机器人的动力学、工作空间及刚度建模方法及装置。通过本发明的动力学、工作空间及刚度建模方法及系统具有较高的计算效率、较高的计算精度以及移植拓展性好等特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多连杆柔性机器人的运动学建模方法，所述方法包括：

获取运动关节的位置信息，通过建立柔性臂D-H坐标系描述分段联动柔性臂的坐标系关系；

计算运动关节的关节角矩阵，根据柔性臂D-H坐标系的分布将驱动体关节的运动进行分解，并根据所述运动分解结果及各联动关节的传动比得到所述柔性机器人的关节角矩阵。

位置级运动学建模，根据计算得的柔性机器人关节角矩阵，由运动学递推关系可得柔性机器人末端的齐次变换矩阵，得到柔性机器人末端的位姿信息。

优选的，所述方法还包括：

关节到操作空间的雅克比矩阵计算，根据分段联动式多连杆绳驱机器人末端的广义速度得到关节到操作空间的雅克比矩阵；

速度级运动学建模，根据所述雅克比矩阵及每个万向节之间的绳索分布关系，得到关节角的变化量与绳长变化量之间的关系，最后进行变换得到多连杆绳驱柔性机器人绳长到关节的递推关系。

本发明提供一种多连杆柔性机器人的动力学建模方法，所述方法包括：

对主动力进行求解，根据牛顿欧拉法，通过求解整个分段联动式多连杆绳驱柔性机器人所受的惯性力/力矩，并以驱动绳索对臂杆的作用力向内递推，求得主动绳索驱动的驱动力/力矩。

优选的，所述方法还包括：

被动力进行求解：假定连杆上绳索的预紧力足够大，同时实现段中4个子关节的同步俯仰和偏航，则万向节通过小“8”型绳索和大“8”型绳索进行联动。根据受力分析，并联立大小“8”型可得到联动绳索产生的总被动力矩。

优选的，所述方法还包括：

建立动力学模型：根据力的传递关系，将主动力和被动力代入联动绳索产生的被动力矩和驱动绳索主动拉力之间的关系式，可以得主被动耦合柔性机器人的动力学方程。

优选的，所述方法还包括：将绳索拉力作为优化指标，将关节角度及绳索拉力阈值进行约束。