[发明专利]一种机器人柔性关节摩擦力解析与建模方法

说明书

本发明公开了一种机器人柔性关节摩擦力解析与建模方法。详细过程如下：S1：采集机器人柔性关节的状态数据；S2：建立机器人柔性关节双质量系统的无约束动力学模型；S3：在无约束作用力模型中引入约束条件，基于U‑K方程建立约束力模型；S4：引入理想约束和非理想约束获取实际约束力模型；S5：将无约束作用力矩分解为相切与垂直于关节表面的切向力矩和法向力矩，分析实际法向力；S6：将实际法向力引入摩擦力表达式获得摩擦力矩；S7：将摩擦力矩引入到机器人柔性关节双质量系统的无约束动力学模型中，建立机器人柔性关节含摩擦力的动力学模型。本发明建立了一种考虑摩擦力特性的机器人柔性关节动力学模型，提高了机器人柔性关节运动解析的精确度。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机器人柔性关节摩擦力解析与建模方法。

背景技术

随着工业机器人的广泛应用，对于机器人的适用条件、控制精度、运行稳定性等方面的要求也更加严格。其中，关节摩擦力就是影响机器人控制精度的主要因素之一。由于柔性关节由柔性传动元件的弹性变形来传递运动和动力，在低速时，非线性摩擦影响突出。非线性摩擦可能会引起极限环振荡、低速爬行、滞滑运动等现象，因此，非线性关节摩擦问题不容小觑。

现有技术中，对机器人柔性关节的摩擦力依然缺乏较为精确的动力学模型。现有的机器人柔性关节的动力学模型局限性较大，拟合效果一般。

发明内容

为解决现有机器人关节摩擦力的动力学模型的精确度低的问题，本发明提供一种机器人柔性关节摩擦力解析与建模方法。

本发明采用如下技术方案实现：一种机器人柔性关节摩擦力解析与建模方法，其包括如下步骤：

S1：采集机器人柔性关节的状态数据。状态数据包括：整体状态数据、电机状态数据、负载状态数据和柔性传动元件状态数据。

S2：根据电机状态数据、负载状态数据和柔性传动元件状态数据建立机器人柔性关节双质量系统的无约束动力学模型。

S3：根据整体状态数据，在无约束动力学模型中引入约束条件，基于U-K方程建立约束力模型。

S4：在约束力模型中引入理想约束和非理想约束建立实际约束力模型。在实际约束力模型中分解出理想约束力模型与非理想约束力模型。

S5：根据整体状态数据将无约束动力学模型转化为无约束作用力矩。将无约束作用力矩分解为平行于关节表面的切向力矩和垂直于关节表面的法向力矩，分析实际法向力。

S6：将实际法向力引入摩擦力表达式中获得摩擦力矩。

S7：将所获得的摩擦力矩引入到机器人柔性关节双质量系统的无约束动力学模型中，建立机器人柔性关节含摩擦力的动力学模型。

本发明打破传统的摩擦力分析方法，采用U-K方程求解作用于柔性关节表面的法向约束力，采用新的柔性关节受力分析方法对柔性关节表面作用力进行分解。推导的摩擦表达式包含任何时刻的大小和方向，且无需辅助变量。在柔性关节动力学模型中引入阻尼与摩擦力的影响，进一步提高柔性关节动力学模型的精确度与可靠性；解析方法的初始条件可调，可直观分析柔性关节摩擦力矩变化情况。

作为上述方案的进一步改进，在S1中，整体状态数据包括广义坐标、广义速度、广义加速度、关节转角、关节角速度、关节角加速度、关节运动速度、柔性关节半径、静摩擦系数、库伦摩擦系数和粘滞摩擦系数。

作为上述方案的进一步改进，在S2中，根据状态数据建立机器人柔性关节双质量系统的无约束动力学模型：