CN107016207A - 基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法 - Google Patents

基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法，包括：建立工业机器人负载动力学参数模型；根据所述工业机器人负载动力学参数模型，设计重力辨识轨迹和惯量辨识轨迹；根据重力辨识轨迹和惯量辨识轨迹，采集并处理负载辨识运动数据重力辨识运动与惯量辨识运动，通过运动过程关节运动参数与驱动力矩参数，可以得到负载动力学参数。本发明通过特殊设计的关节运动，在不依赖机器人本体的动力学参数条件下，可独立获取负载重量、质心位置、转动惯量参数，可应用于机器人基于模型的高性能控制。

Description

基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法。
背景技术
工业机器人已成为工业自动化过程中提升生产效率和生产线柔性的不可或缺的工具。随着质量标准和应用场景的扩展，对工业机器人的性能提出了越来越高的要求。移动速度和精度是衡量机器人性能的两类主要指标，而影响这两个主要指标的重要因素是复杂的机器人动力学特性。动力学特性对机器人的影响可以通过动力学模型描述，动力学模型建立关节驱动力与运动之间的关系，该关系越准确则机器人的运动特性越容易准确控制。因此对机器人进行全面建模并准确获取其动力学参数，通过控制***对其动力学特性进行在线补偿，是提升工业机器人动作速度和跟踪精度的重要技术途径。
实际应用中工业机器人动作结构由两部分构成：机器人本体和连接在机器人末端的工具负载，具体参见示意图1。在工业机器人领域，一般未关注或只关注机器人本体的动力学影响，忽略负载动力学因素的影响，但随着高负载-惯量比的机器人出现，负载动力学因素在机器人控制中的影响也逐渐突出。
机器人负载动力学参数的获取可以通过设计参数得到，也可通过辨识实验得到。负载动力学参数辨识是指通过执行具有一定特性的机器人运动，通过分析机器人关节驱动力矩与运动数据的关联，结合机器人本体的动力学信息，得到工具负载的动力学参数估计值。
由于加工偏差的存在，负载结构重心、转动惯量等动力学参数与实际值可能存在较大偏差，尤其是对于构型复杂的工具负载，其动力学设计参数往往难以准确获得。因此工业机器人的负载动力学参数辨识技术是依靠动力学提升其性能的重要环节。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立工业机器人负载动力学参数模型，其中，所述参数模型为：
其中，τlink为机器人本体运动时关节驱动力，τlinkload为有工具负载时关节驱动力
步骤S2，根据所述工业机器人负载动力学参数模型，设计重力辨识轨迹和惯量辨识轨迹；
步骤S3，根据步骤S2中设计的重力辨识轨迹和惯量辨识轨迹，采集并处理负载辨识运动数据重力辨识运动与惯量辨识运动，通过运动过程关节运动参数与驱动力矩参数，可以得到负载动力学参数L＝[m,sx,sy,sz,Ixx,Iyy,Izz]T，其中，
m＝fm(d3,d5,τload_30_gravity_+,τload_30_gravity_-,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-)
sx＝fsx(d6,m,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-)
sy＝fsy(m,sx,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-,τload_51_gravity_+,τload_51_gravity_-)
sz＝fsz(m,sx,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-,τload_51_gravity_+,τload_51_gravity_-)
Ixx＝fIxx(m,sy,sz,τload_60_inertial_+,τload_60_inertial_-)
Iyy＝fIyy(m,sx,τload_50_inertial_+,τload_50_inertial_-,τload_51_inertial_+,τload_51_inertial_-)
Izz＝fIzz(m,sx,τload_50_inertial_+,τload_50_inertial_-,τload_51_inertial_+,τload_51_inertial_-)
其中，τload_a_b_c的下标a表示运动轴与运动位置，b表示辨识轨迹类型，c表示速度或者加速度正负。
进一步，在所述步骤S1中，
当安装工具负载前后执行相同的运动轨迹，即q＝q0＝q1 则有：
L＝[m,sx,sy,sz,Ixx,Iyy,Izz]T
其中，Wload为负载与关节六固联时，负载运动对机器人末端产生的力，该力由负载的动力学参数L和机器人末端运动Vee共同决定，动力学参数L在工业机器人末端法兰坐标系中定义。
进一步，在所述步骤S2中，所述转动惯量辨识轨迹，包括：关节在连杆重力对称中心附近运动；对称的正向速度与负向速度两个运动过程；在正向速度与负向速度两个运动过程中，分别包括两个对匀加速度运动；当前关节运动时，其他关节停止不动。
进一步，在所述步骤S2中，所述重力辨识轨迹包括：关节在连杆重力对称中心附近运动轨迹、正向匀速与负向匀速两个主要过程和当前关节运动时，其他关节停止不动。
根据本发明实施例的基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法，通过特殊设计的关节运动，在不依赖机器人本体的动力学参数条件下，可独立获取负载重量、质心位置、转动惯量参数，可应用于机器人基于模型的高性能控制。本发明具有以下有益效果：
辨识过程只需机器人3/5/6轴在小范围内运动，对运动空间的限制不敏感，因此可广泛应用于任务现场对工具负载进行辨识；
辨识过程时间短，并且辨识过程只需采集机器人自身关节运动参数，无需额外测量设备，代价小便于应用；
采用重复轨迹消除本体动力学参数影响，辨识数据处理过程除机器人连杆尺寸数据外不需要额外的机器人本体动力学参数，因此所提方法可广泛应用于不同构型的工业机器人负载辨识。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为现有技术中实际应用中工业机器人动作结构图；
图2为根据本发明实施例的基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法的流程图；
图3为根据本发明实施例的机器人末端法兰坐标系的示意图；
图4为根据本发明实施例的机器人处于特定位形的示意图；
图5为根据本发明实施例的重力辨识轨迹的示意图；
图6为根据本发明实施例的转动惯量辨识轨迹的示意图；
图7为根据本发明实施例的负载辨识运动轨迹的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图2所示，本发明实施例的基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立工业机器人负载动力学参数模型，其中，参数模型为：
其中，τlink为机器人本体运动时关节驱动力，τlinkload为有工具负载时关节驱动力。
特别当安装工具负载前后执行相同的运动轨迹，即q＝q0＝q1 则有：
L＝[m,sx,sy,sz,Ixx,Iyy,Izz]T
其中，Wload为负载与关节六固联时，负载运动对机器人末端产生的力，该力由负载的动力学参数L和机器人末端运动Vee共同决定，动力学参数L在工业机器人末端法兰坐标系中定义，参考图3所示。
此外，本步骤中，可以确定在机器人处于特定位形时，特殊单关节运动与工具负载作用在末端的力之间的关系：
a.机器人处于图4所示的位置0时，3轴运动与负载外力存在关系：
b.机器人处于图4所示的位置0时，5轴运动与负载外力存在关系：
c.机器人处于图4所示的位置0时，6轴运动与负载外力存在关系：
d.机器人处于图4所示的位置1时，3轴运动与负载外力存在关系：
e.机器人处于图4所示的位置1时，5轴运动与负载外力存在关系：
f.机器人处于图4所示的位置1时，6轴运动与负载存在关系：
步骤S2，根据工业机器人负载动力学参数模型，设计重力辨识轨迹和惯量辨识轨迹。
由(1)～(8)式进一步分析可以得到，当机器人在图1、图3所示位置附近进行特定运动时，(3)～(8)式的关节负载外力与负载的动力学参数之间的关系可进一步明确，因此针对3/5/6关节设计两类特定运动状态：重力辨识轨迹和转动惯量辨识轨迹，
对于图5所示的重力辨识轨迹，具有如下特征：关节在连杆重力对称中心附近运动；包括正向匀速与负向匀速两个主要过程；当前关节运动时，其他关节停止不动。
对图6所示的转动惯量辨识轨迹，具有以下特征：关节在连杆重力对称中心附近运动；
包括对称的正向速度与负向速度两个运动过程；在正向速度与负向速度两个运动过程中，分别包括两个对匀加速度运动；当前关节运动时，其他关节停止不动。
各单轴运动之间通过S型速度规划实现，完整的负载辨识运动轨迹如图7所示。
步骤S3，根据步骤S2中设计的重力辨识轨迹和惯量辨识轨迹，采集并处理负载辨识运动数据重力辨识运动与惯量辨识运动，对于式(1)～(8)结合图5、图6所示的重力辨识运动与惯量辨识运动，通过运动过程关节运动参数与驱动力矩参数，可以得到负载动力学参数L＝[m,sx,sy,sz,Ixx,Iyy,Izz]T，其中，
m＝fm(d3,d5,τload_30_gravity_+,τload_30_gravity_-,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-) (8)
sx＝fsx(d6,m,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-) (9)
sy＝fsy(m,sx,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-,τload_51_gravity_+,τload_51_gravity_-) (10)
sz＝fsz(m,sx,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-,τload_51_gravity_+,τload_51_gravity_-) (11)
Ixx＝fIxx(m,sy,sz,τload_60_inertial_+,τload_60_inertial_-) (12)
Iyy＝fIyy(m,sx,τload_50_inertial_+,τload_50_inertial_-,τload_51_inertial_+,τload_51_inertial_-) (13)
Izz＝fIzz(m,sx,τload_50_inertial_+,τload_50_inertial_-,τload_51_inertial_+,τload_51_inertial_-) (14)
式(9)～(15)中，τload_a_b_c下标a表示运动轴与运动位置，b表示辨识轨迹类型，c表示速度或者加速度正负。
本发明实施例的基于特定关节的工业机器人负载动力学参数辨识方法，可以将负载运动的重力、惯性力等效为加载机器人末端的外力，从而建立负载动力学参数与关节运动的关系模型。并且，本发明实现工业机器人负载辨识激励轨迹设计，特别是通过特殊设计的重力辨识轨迹、转动惯量辨识轨迹，将单次运动过程中关节驱动力与负载参数独立对应，简化由关节运动参数与负载参数的关系，提供负载参数处理方法，特别是由特定设计轨迹得到的运动参数处理出负载重量、质心位置以及主轴转动惯量的方法。
根据本发明实施例的基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法，通过特殊设计的关节运动，在不依赖机器人本体的动力学参数条件下，可独立获取负载重量、质心位置、转动惯量参数，可应用于机器人基于模型的高性能控制。本发明具有以下有益效果：
辨识过程只需机器人3/5/6轴在小范围内运动，对运动空间的限制不敏感，因此可广泛应用于任务现场对工具负载进行辨识；
辨识过程时间短，并且辨识过程只需采集机器人自身关节运动参数，无需额外测量设备，代价小便于应用；
采用重复轨迹消除本体动力学参数影响，辨识数据处理过程除机器人连杆尺寸数据外不需要额外的机器人本体动力学参数，因此所提方法可广泛应用于不同构型的工业机器人负载辨识。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (4)

1.一种基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，建立工业机器人负载动力学参数模型，其中，所述参数模型为：
其中，τlink为机器人本体运动时关节驱动力，τlinkload为有工具负载时关节驱动力；
步骤S2，根据所述工业机器人负载动力学参数模型，设计重力辨识轨迹和惯量辨识轨迹；
步骤S3，根据步骤S2中设计的重力辨识轨迹和惯量辨识轨迹，采集并处理负载辨识运动数据重力辨识运动与惯量辨识运动，通过运动过程关节运动参数与驱动力矩参数，可以得到负载动力学参数L＝[m,sx,sy,sz,Ixx,Iyy,Izz]T，其中，
m＝fm(d3,d5,τload_30_gravity_+,τload_30_gravity_-,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-)
sx＝fsx(d6,m,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-)
sy＝fsy(m,sx,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-,τload_51_gravity_+,τload_51_gravity_-)
sz＝fsz(m,sx,τload_50_gravity_+,τload_50_gravity_-,τload_51_gravity_+,τload_51_gravity_-)
Ixx＝fIxx(m,sy,sz,τload_60_inertial_+,τload_60_inertial_-)
Iyy＝fIyy(m,sx,τload_50_inertial_+,τload_50_inertial_-,τload_51_inertial_+,τload_51_inertial_-)
Izz＝fIzz(m,sx,τload_50_inertial_+,τload_50_inertial_-,τload_51_inertial_+,τload_51_inertial_-)
其中，τload_a_b_c的下标a表示运动轴与运动位置，b表示辨识轨迹类型，c表示速度或者加速度正负。
2.如权利要求1所述的基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法，其特征在于，在所述步骤S1中，
当安装工具负载前后执行相同的运动轨迹，即q＝q0＝q1 则有：
L＝[m,sx,sy,sz,Ixx,Iyy,Izz]T
其中，Wload为负载与关节六固联时，负载运动对机器人末端产生的力，该力由负载的动力学参数L和机器人末端运动Vee共同决定，动力学参数L在工业机器人末端法兰坐标系中定义。
3.如权利要求1所述的基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述转动惯量辨识轨迹，包括：关节在连杆重力对称中心附近运动；对称的正向速度与负向速度两个运动过程；在正向速度与负向速度两个运动过程中，分别包括两个对匀加速度运动；当前关节运动时，其他关节停止不动。
4.如权利要求1所述的基于特定关节运动的工业机器人负载动力学参数辨识方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述重力辨识轨迹包括：关节在连杆重力对称中心附近运动轨迹、正向匀速与负向匀速两个主要过程和当前关节运动时，其他关节停止不动。
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