專利名稱：一種機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的動靜態(tài)辨識方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人參數(shù)辨識的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于辨識機(jī)器人各連桿動力學(xué)參數(shù)的動靜態(tài)分步辨識方法。
背景技術(shù)：
機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，決定著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平。在機(jī)器人動力學(xué)建模方面，由于實(shí)際測量和建模的不準(zhǔn)確，加上負(fù)載變化、外部干擾以及大量不確定性因素的存在，我們很難得到機(jī)器人實(shí)際的精確、完整的運(yùn)動模型。機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大以及機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展和自動化程度的進(jìn)一步提高，對機(jī)器人的性能提出了更高的要求。首先，在機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，工作效率和質(zhì)量是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)。提高工業(yè)機(jī)器人的工作效率，減小實(shí)際操作中的運(yùn)動及動力誤差，提高穩(wěn)定性成為在機(jī)器人應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵性問題。其次，機(jī)器人必須要具有更高度的能動性和靈活性，具有更廣闊的可達(dá)空間，這就要求有精度相當(dāng)高的控制算法。動力學(xué)模型辨識和系統(tǒng)建模是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確的模型參數(shù)的獲得，在一定程度上，能夠加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，提高控制精度。因此建模的準(zhǔn)確性也成為各國學(xué)者正在研究的問題，并引入了更為先進(jìn)的、新穎的建模方法，為機(jī)器人控制提供了良好的前提。精確的動力學(xué)模型是機(jī)器人控制及仿真的前提條件，而建立精確的動力學(xué)模型需要準(zhǔn)確的機(jī)器人各連桿動力學(xué)參數(shù)。機(jī)器人在組裝完成后，我們一般無法得到真實(shí)機(jī)械臂的動力學(xué)參數(shù)，或只能根據(jù)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)及連桿的個體參數(shù)來估算組裝后的動力學(xué)參數(shù)值，顯然這種方法的估算結(jié)果不能反映機(jī)器人整體的動態(tài)特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種機(jī)器人操作臂動力學(xué)參數(shù)的辨識方法，該辨識采用動靜態(tài)的辨識思路，以克服由于參數(shù)的耦合問題無法辨識所有連桿的動力學(xué)參數(shù)值的難題。本發(fā)明在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)參數(shù)已知的情況下，需要提供機(jī)器人基座六維力以及各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩，基座六維力傳感器安裝于機(jī)器人基座與一關(guān)節(jié)的連接處。所要辨識的動力學(xué)參數(shù)包括機(jī)器人各連桿的質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)以及慣性張量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案包括以下幾個步驟1)建立機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的靜態(tài)辨識模型；2)基于最小二乘法求解機(jī)械臂各連桿質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)乘積；3)建立機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的動態(tài)辨識模型；4)令機(jī)器人各連桿按照特定的組合方式運(yùn)動，辨識各連桿的慣性張量以及質(zhì)心坐標(biāo)；5)通過第二步和第四步的辨識結(jié)果，依次計(jì)算得到機(jī)器人各連桿的慣性張量、質(zhì)量以及質(zhì)心坐標(biāo)。進(jìn)一步地
在靜態(tài)辨識過程中，通過改變機(jī)械臂的構(gòu)型，根據(jù)各連桿坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系構(gòu)造多維矩陣Q3n>^a(n為機(jī)械臂的自由度，a為所變換的機(jī)械臂的構(gòu)型數(shù))，利用基座六維力間接得到機(jī)械臂系統(tǒng)的總質(zhì)量與每組構(gòu)型的質(zhì)心坐標(biāo)，基于最小二乘法的思想辨識各連桿的質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)的乘積。進(jìn)一步地利用靜態(tài)辨識所得的各連桿的質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)的乘積，推導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)解耦形式的機(jī)械臂動力學(xué)方程，消去待辨識參數(shù)的二次方項(xiàng)以及參數(shù)的耦合乘積項(xiàng)，使機(jī)械臂動力學(xué)方程中關(guān)節(jié)力矩與待辨識參數(shù)形成線性的關(guān)系；進(jìn)一步地在動態(tài)辨識過程中，首先規(guī)劃機(jī)器人所有關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)η)同時運(yùn)動，辨識末端連桿η的動力學(xué)參數(shù)，然后規(guī)劃機(jī)器人關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)η-1同時運(yùn)動，關(guān)節(jié)η鎖死，將連桿η及連桿η-1整體作為末端連桿，辨識其整體的動力學(xué)參數(shù)，隨即可得連桿η-1的動力學(xué)參數(shù)，按照同樣思路，依次規(guī)劃關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)i運(yùn)動，關(guān)節(jié)i+Ι至關(guān)節(jié)η鎖死，順序辨識個連桿的動力學(xué)參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)采用靜態(tài)與動態(tài)的分步辨識方法，首先由靜態(tài)辨識得到機(jī)械臂質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)的乘積，為動態(tài)辨識過程消去待辨識參數(shù)的二次方項(xiàng)，降低辨識的復(fù)雜度；2)基座六維力/力矩傳感器在辨識過程中為靜態(tài)測量，能夠有效降低六維力傳感器的動態(tài)測量誤差；3)連桿的動力學(xué)參數(shù)辨識結(jié)果中包含機(jī)械臂關(guān)節(jié)特性，能夠反應(yīng)機(jī)器人實(shí)際工作中的慣性參數(shù)值。


圖1是η自由度的機(jī)械臂的模型圖；圖2是機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)動靜態(tài)辨識流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。首先參照附圖1對后文中出現(xiàn)的符號進(jìn)行說明。Cn代表機(jī)器人第η連桿質(zhì)心/ρη+1 代表第η+1關(guān)節(jié)在η坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，Σ η代表第η關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，代表坐標(biāo)系η到坐標(biāo)系 η +1的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，θη0 0 代表第η關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度、角速度、角加速度，ηωηηαη代表第 η連桿在當(dāng)前坐標(biāo)系下的角速度、角加速度，nvnnan代表第η關(guān)節(jié)在當(dāng)前坐標(biāo)系下的線速度、 線加速度，吁 代表在第η坐標(biāo)系下η-1連桿作用在η連桿上的力，ηηη代表在第η坐標(biāo)系下 η-1連桿作用在η連桿上的力矩，τ η代表第η關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩，1X代表第η坐標(biāo)下ζ向單位向量。機(jī)器人各連桿質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)乘積的靜態(tài)辨識具有η個自由度的機(jī)器人，各連桿質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)存在著如下的關(guān)系MC = w, ^Rci + m2 \Rc2 + ^3 ^Rc3 + ……+ m "0Rcn(1)其中M為機(jī)械臂總質(zhì)量；C為機(jī)械臂系統(tǒng)的質(zhì)心；
C1C2C3......Cn為各連桿的質(zhì)心；:r 20R IR……び為各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系到基坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣；本發(fā)明所需的六維カ傳感器安裝于機(jī)器人的第一關(guān)節(jié)與基座之間，則機(jī)械臂系統(tǒng) 整體的質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)可以通過六維力傳感器求得F = -Mg (2)N = FXC若基座所受的六維カ為F6 = [FxFyFzNxNyNJ。則存在如下的關(guān)系[NxNtNJ = -Mg [cos a cos ^ cosy] XC (3)Jt ^, |F| - Mg = ^Fx2 + Fy2 + Fz2 , a = arccos (Fx/Mg), 3 = arccos (Fy/Mg), y = arccos (Fz/Mg)。本發(fā)明在機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的靜態(tài)辨識過程中，需要規(guī)劃機(jī)械臂A組構(gòu)型，規(guī)劃 的構(gòu)型組數(shù)需要大于機(jī)械臂的自由度。毎次變化構(gòu)型時各關(guān)節(jié)應(yīng)隨機(jī)轉(zhuǎn)動一定角度，以確 保不出現(xiàn)線性相關(guān)的問題。則可以構(gòu)造如下的矩陣方程Y = Q ￥ (4)其中:Y= [MC1MC2MC3......MCaJt ；
1 n 2 D 3 Pn D
0八1 0八1 0八1......0八1Q= A、cA……び2 .
_0八バ 0 0八バ......0尺A _￥ = Im1C1Ya2C2Ya3Co......mncn]。本發(fā)明在機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的靜態(tài)辨識中，利用基座六維カ傳感器首先得到系統(tǒng) 整體的質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)，通過規(guī)劃機(jī)械臂的構(gòu)型構(gòu)造多維矩陣，則機(jī)器人各連桿的質(zhì)量與 質(zhì)心坐標(biāo)的乘積的最小ニ乘解為v = [Qt ⑴-1Q-1Y (5)機(jī)器人各連桿動力學(xué)參數(shù)的動態(tài)辨識(1)連桿ニ至末端連桿動力學(xué)參數(shù)的辨識方法本發(fā)明在機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的動態(tài)辨識過程中，首先需要建立動力學(xué)參數(shù)解耦形 式的機(jī)械臂動力學(xué)方程。機(jī)器人各連桿的力及力矩按照公式(6)的式逆向傳遞，對于末端 連桿，由于㈣し及11+1!^均為零，則末端連桿的力及力矩關(guān)系可簡化公式(7)的形式。聯(lián) 立公式(6)、(7)，合并連桿的質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)的乘積項(xiàng)，將其記為mcn，整理后可得公式(8)。'I =+ 'L'n, = ,メ'+| + 'ncl + Vcv x '/ + '^l x ド；/T1 ム(6)Ti=' Hi ‘ ZiX = nnn+nrcnXnfcn(7)nnn-mcnXnan = cnInna n+nconX (cnInnCon)+mcnX (nQnXcn) (8)+mcnX (nGJnX (nGJnXcn))將公式(8)進(jìn)ー步化筒，可得到公式(9)所示的矩陣方程的形式。N = H* O+K ‘ T(9)其中①=[Ixx,Iyy, Izz, Ixy, Ixz, IJt ； r = [cix, ciy，CiJ10
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本發(fā)明在動態(tài)辨識中，首先令機(jī)器人關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)η運(yùn)動，在各關(guān)節(jié)的運(yùn)動時間內(nèi)提取B(B ^ 9)組時刻的數(shù)據(jù)作為采樣樣本，包括各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩、各關(guān)節(jié)的速度以及加速度。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩τ為關(guān)節(jié)力矩ζ方向分量，提取矩陣方程(9)第三行，采用偽逆法辨識得到末端連桿動力學(xué)參數(shù)。[Φ Γ ]T = [H(B)E(B)]+· N(B) (10)本發(fā)明在動態(tài)辨識中，獲得末端連桿動力學(xué)參數(shù)辨識后，將末端連桿與次末端連桿整體作為待辨識的對象，辨識過程與上述方法相同，然后根據(jù)動力學(xué)參數(shù)的坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系獲得次末端機(jī)械臂的動力學(xué)參數(shù)。以此依次遞推至第二連桿，完成機(jī)器人第二連桿至末端連桿的動力學(xué)參數(shù)的辨識。(2)連桿一動力學(xué)參數(shù)的辨識本發(fā)明在動態(tài)辨識中，由于機(jī)器人第一連桿為繞關(guān)節(jié)一軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此其只存在自身坐標(biāo)系ζ向的速度以及加速度。考慮到連桿一運(yùn)動的特殊性，需要對其動力學(xué)參數(shù)辨識的方法進(jìn)行單獨(dú)的分析。連桿一在運(yùn)動的過程中，關(guān)節(jié)一所受的力矩與連桿慣性張量中的三個參數(shù)(Ilxx、Ilyy、Ilxy)沒有任何運(yùn)算關(guān)系，因此連桿一的上述三個慣性張量均屬于無法辨識的動力學(xué)參數(shù)。令機(jī)器人一關(guān)節(jié)運(yùn)動，則根據(jù)牛頓歐拉動力學(xué)方程可知一關(guān)節(jié)的力矩表示如公式(11)所示
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的動靜態(tài)辨識方法，其特征在于，所述方法通過動靜態(tài)的分步辨識過程，解決機(jī)械臂動力學(xué)模型中參數(shù)耦合的問題，通過靜態(tài)辨識首先辨識操作臂各連桿的質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)的乘積，避免在動態(tài)辨識的過程中出現(xiàn)待辨識參數(shù)的二次方項(xiàng)以及參數(shù)的耦合乘積項(xiàng)，使機(jī)械臂動力學(xué)方程中關(guān)節(jié)力矩與待辨識參數(shù)形成線性的關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的動靜態(tài)辨識方法，其特征在于，在靜態(tài)的辨識過程中，通過規(guī)劃機(jī)械臂的多組構(gòu)型構(gòu)造多維矩陣，利用基座六維力間接得到機(jī)械臂系統(tǒng)的總質(zhì)量與每組構(gòu)型的質(zhì)心坐標(biāo)，基于最小二乘法的思想辨識機(jī)械臂各連桿的質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)的乘積。
3.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的動靜態(tài)辨識方法，其特征在于，在動態(tài)辨識過程中，首先規(guī)劃機(jī)器人所有關(guān)節(jié)(關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)η)同時運(yùn)動，辨識末端連桿η的動力學(xué)參數(shù)，然后規(guī)劃機(jī)器人關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)η-1同時運(yùn)動，關(guān)節(jié)η鎖死，將連桿η及連桿η_1整體作為末端連桿，辨識其整體的動力學(xué)參數(shù)，隨即可得連桿n-1的動力學(xué)參數(shù)，按照同樣思路，依次規(guī)劃關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)i運(yùn)動，關(guān)節(jié)i+Ι至關(guān)節(jié)η鎖死，順序辨識各連桿的動力學(xué)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明是一種機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)辨識的動靜態(tài)辨識方法，該方法需要提供機(jī)器人基座六維力、各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩、角速度以及角加速度。在靜態(tài)辨識中，通過變換機(jī)械臂的構(gòu)型，利用機(jī)器人各連桿坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系構(gòu)造多維矩陣，建立靜態(tài)辨識模型，采用最小二乘法求解各連桿質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)的乘積。利用靜態(tài)辨識結(jié)果，基于牛頓-歐拉算法推導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)解耦形式的機(jī)械臂動力學(xué)方程。在動態(tài)辨識中，規(guī)劃各關(guān)節(jié)按照特定的組合方式運(yùn)動，采用偽逆法依次辨識末端連桿至連桿一的慣性張量以及質(zhì)心坐標(biāo)，繼而完成機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)的全辨識。本發(fā)明的參數(shù)辨識結(jié)果中包含機(jī)械臂關(guān)節(jié)特性，能夠反應(yīng)機(jī)器人實(shí)際工作中的慣性參數(shù)值。
文檔編號B25J13/00GK102320043SQ20111015114
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者孫漢旭, 張巖, 朱寧寧, 賈慶軒, 陳鋼 申請人:北京郵電大學(xué)