机械臂关节刚度参数的识别方法技术

本发明专利技术公开了一种机械臂关节刚度参数的识别方法，步骤包括：1)安装试件；2)建立机械臂数学模型；3)先获得Z和X方向的误差集，再获得与误差集数据对应的关节转角数据集合；4)计算连杆弯曲变形，进行机械臂连杆弯曲变形求解；5)建立机械臂关节扭转刚度计算模型；6)完成机械臂关节刚度识别。本发明专利技术的方法使用简单高效的算法，避免了传统理论计算带来的机械臂关节刚度参数误差大的问题。刚度参数误差大的问题。刚度参数误差大的问题。

【技术实现步骤摘要】
机械臂关节刚度参数的识别方法


[0001]本专利技术属于机械臂精度控制
，涉及一种机械臂关节刚度参数的识别方法。

技术介绍

[0002]工业机械臂本身为悬臂梁结构，作业过程中，其姿态发生变化，导致各关节所受的重力矩变化，进而使关节产生不同程度的变形，直接影响着机械臂末端的位姿控制，成为机器人研究领域的重要问题之一。为了解决该问题，本专利技术提出精确确定各关节刚度参数的方法，为精确计算重力矩变化所产生的关节扭转角提供依据，对机械臂末端位姿的精确控制具有重要意义。
[0003]目前，获得机械臂关节刚度参数的方法是参考减速器、电机等样本，获得理论部件的扭转刚度值，然后通过数学公式计算获得关节刚度。但实际情况中机械臂关节受装配误差、摩擦力等因素影响，导致机械臂的关节实际扭转刚度与理论计算值存在一定差异，从而使所依据的关节刚度理论值计算出的关节扭转角产生较大误差，使得机械臂末端精准控制难以进行，为此，需要对机械臂各关节的实际扭转刚度参数进行识别。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种机械臂关节刚度参数的识别方法，解决了现有技术中对关节刚度难以精确确定的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，一种机械臂关节刚度参数的识别方法，利用一种测量工具，按照以下步骤实施：
[0006]步骤1：安装试件，
[0007]将机械臂末端与气动夹具连接牢靠，气动夹具上的夹爪夹持住夹持柄；调整测量架上的激光位移传感器和位移传感器一、位移传感器二的位姿，使其与标定件的测量平面垂直；
[0008]步骤2：建立机械臂数学模型，
[0009]步骤3：向机器人控制系统输入Y方向的运动指令，位移传感器一、位移传感器二测量Z、X方向的运动误差，
[0010]先通过专用测量工具上的传感器，获得Z和X方向的误差集：E
z
＝{z1,z2,z3,z4...,z
i
}i＝1,2,...,n,E
X
＝{x1,x2,x3,x4...,x
i
}i＝1,2,...,n，误差集数据包含连杆变形误差和关节扭转误差两部分；再通过机械臂控制系统，获得与误差集数据对应的关节转角数据集合集合表示在运动到某个点时关节角θ2,θ3组成的向量；
[0011]步骤4：计算连杆弯曲变形，
[0012]对不同位置和姿态下的连杆弯曲变形所产生的末端位置误差分别进行求解，即进行机械臂连杆弯曲变形求解；
[0013]步骤5：建立机械臂关节扭转刚度计算模型；
[0014]步骤6：完成机械臂关节刚度识别。
[0015]本专利技术的有益效果是，使用简单高效的算法，避免了传统理论计算带来的机械臂关节刚度参数误差问题。
附图说明
[0016]图1为本专利技术方法机械臂关节刚度识别专用测量工具示意图；
[0017]图2为本专利技术方法机械臂刚度识别过程运动示意图；
[0018]图3为本专利技术方法机械臂运动学模型简图；
[0019]图4为本专利技术方法刚度识别数学计算流程图；
[0020]图5是本专利技术方法的整体流程示意图；
[0021]图6a是刚度识别前后重力因素产生的X方向误差补偿曲线；
[0022]图6b是刚度识别前后重力因素产生的Z方向误差补偿曲线。
[0023]图中，1.气动夹具，2.夹爪，3.夹持柄，4.测量架，5.激光位移传感器，6.位移传感器一，7.位移传感器二，8.标定件。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0025]参照图1、图2，本专利技术方法采用的机械臂参数误差识别的测量工具结构是，包括气动夹具1，气动夹具1上的夹爪2与夹持柄3连接；夹持柄3另一端固定有测量架4，测量架4上设置有激光位移传感器5、位移传感器一6、位移传感器二7，测量时该三个传感器均与标定件8的测量平面垂直。
[0026]参照图5，本专利技术的机械臂关节刚度参数的识别方法，利用上述的测量工具，按照以下步骤实施：
[0027]步骤1：安装试件，
[0028]将机械臂末端与气动夹具1连接牢靠，气动夹具1上的夹爪2夹持住夹持柄3；调整测量架4上的激光位移传感器5和位移传感器一6、位移传感器二7的位姿，使其与标定件8的测量平面垂直；
[0029]步骤2：建立机械臂数学模型，
[0030]2.1)设置机械臂相关的参数，
[0031]参照图3，选取机械臂安装基座建立基坐标系，x0、y0、z0表示机械臂基坐标系的坐标轴；对机械臂的六个关节分别建立关节坐标系，其中x
i
、y
i
、z
i
分别表示六自由度机械臂的六个关节坐标系的坐标轴；依据上述的测量工具在基坐标系下的相对位置，建立测量工具坐标系，其中x7、y7、z7表示测量工具的坐标轴；d
j
表示沿z
j
轴正方向，j关节坐标系原点从x
j
‑1移动到x
j
的距离；a
k
表示沿x
k
轴正方向，k关节坐标系原点从z
k
移动到z
k+1
的距离；
[0032]本步骤中，i＝1,2,
…
,6，j＝1,2,
…
,7，k＝1,2,
…
,6；
[0033]2.2)通过坐标变换，建立机械臂运动学模型，表达式如下：
[0034][0035]其中，i
x
＝c1[c
2，3
(c4c5c6‑
s4s6)
‑
s
2，3
s5c6]‑
s1(s4c5c6+c4s6)；
[0036]i
y
＝s1[c
2，3
(c4c5c6‑
s4s6)
‑
s
2，3
s5c6]+c1(s4c5c6+c4s6)；
[0037]i
z
＝s
2，3
(s4s6‑
c4c5c6)+c
2，3
s5c6；
[0038]j
x
＝
‑
c1[c
2，3
(c4c5s6+s4c6)+s
2，3
s5s6]+s1(s4c5s6‑
c4c6)；
[0039]j
y
＝
‑
s1[c
2，3
(c4c5s6+s4c6)+s
2，3
s5s6]‑
c1(s4c5s6‑
c4c6)；
[0040]j
z
＝s
2，3
(c4c5s6+s4c6)
‑
c
2，3
s5s6；
[0041]k
x
＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械臂关节刚度参数的识别方法，利用一种测量工具，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1：安装试件，将机械臂末端与气动夹具(1)连接牢靠，气动夹具(1)上的夹爪(2)夹持住夹持柄(3)；调整测量架(4)上的激光位移传感器(5)和位移传感器一(6)、位移传感器二(7)的位姿，使其与标定件(8)的测量平面垂直；步骤2：建立机械臂数学模型，步骤3：向机器人控制系统输入Y方向的运动指令，位移传感器一(6)、位移传感器二(7)测量Z、X方向的运动误差，先通过专用测量工具上的传感器，获得Z和X方向的误差集：E
z
＝{z1,z2,z3,z4...,z
i
}i＝1,2,...,n,E
X
＝{x1,x2,x3,x4...,x
i
}i＝1,2,...,n，误差集数据包含连杆变形误差和关节扭转误差两部分；再通过机械臂控制系统，获得与误差集数据对应的关节转角数据集合数据对应的关节转角数据集合表示在运动到某个点时关节角θ2,θ3组成的向量；步骤4：计算连杆弯曲变形，对不同位置和姿态下的连杆弯曲变形所产生的末端位置误差分别进行求解，即进行机械臂连杆弯曲变形求解；步骤5：建立机械臂关节扭转刚度计算模型；步骤6：完成机械臂关节刚度识别。2.根据权利要求1所述的机械臂关节刚度参数的识别方法，其特征在于：所述的测量工具的结构是，包括气动夹具(1)，气动夹具(1)上的夹爪(2)与夹持柄(3)连接；夹持柄(3)另一端固定有测量架(4)，测量架(4)上设置有激光位移传感器(5)、位移传感器一(6)、位移传感器二(7)，测量时该三个传感器均与标定件(8)的测量平面垂直。3.根据权利要求1所述的机械臂关节刚度参数的识别方法，其特征在于：所述的步骤2中，具体过程是，2.1)设置机械臂相关的参数，选取机械臂安装基座建立基坐标系，x0、y0、z0表示机械臂基坐标系的坐标轴；对机械臂的六个关节分别建立关节坐标系，其中x
i
、y
i
、z
i
分别表示六自由度机械臂的六个关节坐标系的坐标轴；依据测量工具在基坐标系下的相对位置，建立测量工具坐标系，其中x7、y7、z7表示测量工具的坐标轴；d
j
表示沿z
j
轴正方向，j关节坐标系原点从x
j
‑1移动到x
j
的距离；a
k
表示沿x
k
轴正方向，k关节坐标系原点从z
k
移动到z
k+1
的距离；本步骤中，i＝1,2,
…
,6，j＝1,2,
…
,7，k＝1,2,
…
,6；2.2)通过坐标变换，建立机械臂运动学模型，表达式如下：其中，i
x
＝c1[c
2，3
(c4c5c6‑
s4s6)
‑
s
2，3
s5c6]
‑
s1(s4c5c6+c4s6)；
i
y
＝s1[c
2，3
(c4c5c6‑
s4s6)
‑
s
2，3
s5c6]+c1(s4c5c6+c4s6)；i
z
＝s
2，3
(s4s6‑
c4c5c6)+c
2，3
s5c6；j
x
＝
‑
c1[c
2，3
(c4c5s6+s4c6)+s
2，3
s5s6]+s1(s4c5s6‑
c4c6)；j
y
＝
‑
s1[c
2，3
(c4c5s6+s4c6)+s
2，3
s5s6]
‑
c1(s4c5s6‑
c4c6)；j
z
＝s
2，3
(c4c5s6+s4c6)
‑
c
2，3
s5s6；k
x
＝c1(
‑
c
2，3
c4s5+s
2，3
c5)+s1s4s5；k
y
＝s1(
‑
c
2，3
c4s5+s
2，3
c5)+c1s4s5；k
z
＝c
2，3
c5+s
2，3
c4s5；p
x
＝c1[a2c2+(a3‑
d7c4s5)c
2，3
+(d4+d7c5)s
2，3
]+s1(d7s4s5‑
d3)；p
y
＝s1[a2c2+(a3‑
d7c4s5)c
2，3
+(d4+d7c5)s
2，3
]
‑
c1(d7s4s5‑
d3)；p
z
＝d1+(d7c4s5‑
a3)s
2，3
+(d7c5+d4)c
2，3
‑
a2s2；上式中，i
x
表示机械臂末端坐标系X轴在基坐标系X轴上的分量；i
y
表示机械臂末端坐标系X轴在基坐标系Y轴上的分量；i
Z
表示机械臂末端坐标系X轴在基坐标系Z轴上的分量；j
x
表示机械臂末端坐标系Y轴在基坐标系X轴上的分量；j
y
表示机械臂末端坐标系Y轴在基坐标系Y轴上的分量；j
Z
表示机械臂末端坐标系Y轴在基坐标系Z轴上的分量；k
x
表示机械臂末端坐标系Z轴在基坐标系X轴上的分量；k
y
表示机械臂末端坐标系Z轴在基坐标系Y轴上的分量；k
Z
表示机械臂末端坐标系Z轴在基坐标系Z轴上的分量；p
x
表示机械臂末端相对于原点坐标在X方向的位移；p
y
表示机械臂末端相对于原点坐标在Y方向的位移；p
Z
表示机械臂末端相对于原点坐标在Z方向的位移；s
i,j
＝sin(θ
i
+θ
j
),c
i,j
＝cos(θ
i
+θ
j
)，i＝1,2,
…
,6，j＝1,2,
…
,6，θ
i
与θ
j
分别表示各个关节转角值；2
‑
3)通过静力学分析，建立机械臂力学模型：其中，重力作用在第二关节处产生的扭矩表达式为：τ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广鹏，杨志坚，任利娟，李永昌，于殿明，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：