CN114474070A - 一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法及验证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法及验证方法，其中，一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，包括以下步骤：步骤一，基于MD‑H建立刚性运动学模型；步骤二，建立基于负载以及杆件自重影响下的柔性关节模型；步骤三，建立基于负载以及杆件自重影响下柔性连杆模型；步骤四，通过正运动学求出柔性关节及柔性连杆综合作用下的总末段位置误差，对机械臂末端误差进行补偿。本发明还提供了一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差验证方法，运动学仿真软件中对机器人杆件及关节进行柔性化处理，在添加不同负载，观察机器人末端位置误差，对理论分析结果进行验证。本发明解决了大空间低速重载工况下建筑机器人装配作业过程中由于负载以及杆件自重所造成的自身柔性变形所带来的误差补偿问题，同时验证误差的正确性，在成本一定的条件下，提高了刚柔耦合误差补偿模型的精度与效率。

Description

一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法及验证方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法及验证方法。
背景技术
建筑装配作业对象通常尺寸大，载荷大，因此要求机器人有更大的工作空间和承载能力，而大空间低速重载是建筑机器人作业的典型特征，因此建筑机器人在工作时，自身结构会发生柔性变形。随着现代建筑行业的发展，对精度的要求也越来越高，因此大型机械***呈现的柔性化特点逐渐备受关注。近年来，不少学者对建筑机器人误差进行分析时，不考虑机器人本体自身结构柔性变形的影响，将所有部件均以刚体模型进行等效，从而建立单纯的刚体模型。但是在很多工程问题中，单纯刚体模型与实际情况相差甚大，会造成较大的误差，从而影响施工精度。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
针对上述的不足，本发明提供了一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法及验证方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，包括以下步骤：步骤一，基于MD-H建立刚性运动学模型；步骤二，建立基于负载以及杆件自重影响下的柔性关节模型；步骤三，建立基于负载以及杆件自重影响下柔性连杆模型；步骤四，通过正运动学求出柔性关节及柔性连杆综合作用下的总末段位置误差，对机械臂末端误差进行补偿。
进一步地，步骤一包括：本发明的研究对象为建筑领域中的自制喷涂机器人，其具有6个独立旋转关节，定义旋转关节轴线为Z轴，两个相邻轴线的公垂线为坐标系X轴，公垂线与旋转关节轴线的交点作为坐标系原点，然后通过笛卡儿坐标系右手定则确定Y轴方向，按照以上规则分别建立6个坐标系，完成刚性运动学建模。
进一步地，步骤二包括：将刚性运动学模型中的关节柔性化，将所有关节描述为扭力弹簧，建立柔性关节模型，由柔性关节导致的关节角偏转角可以表示为：Δθ＝C·T。考虑负载以及杆件自重，从机器人末端依次计算出每个关节的偏转角，并将其转化为矩阵形式。
进一步地，步骤三包括：基于挠曲线方程：
Figure BSA0000268919400000021
将将刚性运动学模型中的连杆柔性化，建立柔性连杆模型。将连杆的柔性变形对末端位置的影响分解为水平和竖直两个方向，并将其转化为矩阵形式。
进一步地，步骤四包括：通过柔性关节模型求出总关节误差，通过正运动学求解出考虑柔性关节误差下的末段位置矢量，与刚性运动学模型的理论位置矢量作差，即为柔性关节项末段位置误差。同理，考虑连柔性杆误差下的末段位置矢量，与刚性运动学模型的理论位置矢量作差，即为柔性连杆项末段位置误差。柔性关节项末段位置误差与柔性连杆项末段位置误差之和即为总末段位置误差，最后根据总末段位置误差对刚性模型进行补偿误差即可。
本发明还提供了一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差验证方法，包括以下步骤：利用三维建模软件建立机器人三维模型，并对模型中复杂异形零件以及重复小型部件进行简化；将该模型导入运动学仿真软件中对机器人进行运动学建模并仿真，对机器人各部件添加材料属性，对仿真结果进行合理化分析；利用有限元软件对机械臂中影响末端定位精度的关键臂体等重要部件进行柔性化建模，将所建立的有限元模型替换原有运动学模型建立的刚性部件；在运动学仿真软件中在旋转关节处添加扭力弹簧，并设置合适的关节刚度C，用来代替原本的刚性运动副；添加不同负载，观察机器人末端位置误差，对理论分析结果进行验证。
本发明的有益效果是，提出了一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法及验证方法，建立了建筑机器人考虑连杆柔性以及关节柔性的刚柔耦合模型，解决了大空间低速重载工况下建筑机器人装配作业过程中由于负载以及杆件自重所造成的自身柔性变形所带来的误差补偿问题，同时提出了一种验证刚柔耦合模型正确性的检验方法，对刚柔耦合误差的正确性进行验证，并且对工程实际中建立刚柔耦合动力学仿真模型提供了一种科学高效的解决方式。在成本一定的条件下，提高了刚柔耦合误差补偿模型的精度与效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法流程循环图；
图2为本发明自制喷涂机器人结构示意图；
图3为本发明自制喷涂机器人刚性运动学模型示意图；
图4为本发明自制喷涂机器人柔性运动学模型示意图；
图5为一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差验证方法流程循环图。
图中附图标记：1、连杆1；2、关节1；3、连杆2；4、关节2；5、连杆3；6、关节3；7、连杆4；8、关节4；9、连杆5；10、关节5；11、连杆6；12、关节6。
具体实施方式
参照图1，一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，包括以下步骤：步骤一，基于MD-H建立刚性运动学模型；步骤二，建立基于负载以及杆件自重影响下的柔性关节模型；步骤三，建立基于负载以及杆件自重影响下柔性连杆模型；步骤四，通过正运动学求出柔性关节及柔性连杆综合作用下的总末段位置误差，对机械臂末端误差进行补偿。
参照图2、图3，步骤一包括：本发明的研究对象为建筑领域中的自制喷涂机器人，其具有6个独立旋转关节，定义旋转关节轴线为Z轴，两个相邻轴线的公垂线为坐标系X轴，公垂线与旋转关节轴线的交点作为坐标系原点，然后通过笛卡儿坐标系右手定则确定Y轴方向，按照以上规则分别建立6个坐标系，完成刚性运动学建模。
参照图1、图2、图3、图4，步骤二包括：将刚性运动学模型中的关节柔性化，将所有关节描述为扭力弹簧，建立柔性关节模型，由柔性关节导致的关节角偏转角可以表示为：Δθ＝C·T。首先计算由于杆件自重造成的关节角误差，因为由重力产生的杆件自重垂直向下，因此仅考虑重力导致的关节2、关节3和关节5的柔性变形，故关节2、关节3和关节5的关节角偏转角可以表示为：
Figure BSA0000268919400000041
用Q5a、Q3a、Q3b、Q3c、Q2a、Q2b、Q2c、Q2d、Q2e、Q2f表示式中的关节刚度C、质量m、重心距Lc和dc、杆长L和偏距d，并将其转化为矩阵形式，则：
Figure BSA0000268919400000051
其中Tj为连杆柔度关节角矩阵，Q为连杆柔度系数矩阵。同理，由于末端负载造成的关节角误差Δθl为：
Figure BSA0000268919400000052
参照图1、图2、图3、图4，步骤三包括：基于挠曲线方程：
Figure BSA0000268919400000053
将将刚性运动学模型中的连杆柔性化，建立柔性连杆模型。由于杆3和杆4的挠度变形对末段误差有着绝对影响，故模型中仅考虑连杆3和连杆4的挠度变形。将连杆3与连杆4的挠度变形对末段位置的影响分解为水平和竖直两个方向，建立如下方程组：
Figure BSA0000268919400000054
用K系数表示其中的恒定值，将方程组简化为矩阵形式：
Figure BSA0000268919400000055
其中Ti为连杆柔度关节角矩阵，K为连杆柔度系数矩阵。同理，由于末端负载造成的关节角误差Δwl为：
Figure BSA0000268919400000061
参照图1、图2、图3、图4，步骤四包括：总关节角误差：
Figure BSA0000268919400000062
考虑关节角误差下的末段位置矢量：
Figure BSA0000268919400000063
关节柔度项末段位置误差：
ΔPj＝Pj-P
总挠度误差：
Figure BSA0000268919400000064
连杆柔度项末段位置误差：
Figure BSA0000268919400000065
关节柔性及连杆柔性综合作用下的总末段位置误差：
ΔP＝ΔPj+ΔPl
得出机械臂总末段位置误差后，在世界坐标系中对机械臂末端误差进行补偿。
参照图5，本发明还提供了一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法及验证方法，包括以下步骤：利用三维建模软件建立机器人三维模型，并对模型中复杂异形零件以及重复小型部件进行简化；将该模型导入运动学仿真软件中对机器人进行运动学建模并仿真，对机器人各部件添加材料属性，对仿真结果进行合理化分析；利用有限元软件对机械臂中影响末端定位精度的关键臂体等重要部件进行柔性化建模，将所建立的有限元模型替换原有运动学模型建立的刚性部件；在运动学仿真软件中在旋转关节处添加扭力弹簧，并设置合适的关节刚度C，用来代替原本的刚性运动副；添加不同负载，观察机器人末端位置误差，对理论分析结果进行验证。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (9)

1.一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，基于MD-H建立刚性运动学模型；步骤二，建立基于负载以及杆件自重影响下的柔性关节模型；步骤三，建立基于负载以及杆件自重影响下柔性连杆模型；步骤四，通过正运动学求出柔性关节及柔性连杆综合作用下的总末段位置误差，对机械臂末端误差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，其特征在于：步骤一包括：本发明的研究对象为建筑领域中的自制移动式喷涂机器人，其具有6个独立旋转关节，定义旋转关节轴线为Z轴，两个相邻轴线的公垂线为坐标系X轴，公垂线与旋转关节轴线的交点作为坐标系原点，然后通过笛卡儿坐标系右手定则确定Y轴方向，按照以上规则分别建立6个坐标系，完成运动学建模。
3.根据权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，其特征在于：步骤二中，将刚性运动学模型中的关节柔性化，将所有关节描述为扭力弹簧，建立柔性关节模型，由柔性关节导致的关节角偏转角可以表示为：Δθ＝C·T，考虑负载以及杆件自重，从机器人末端依次计算出每个关节的偏转角，并将其转化为矩阵形式。
4.根据权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，其特征在于：步骤三中，基于挠曲线方程：
Figure FSA0000268919390000011
将将刚性运动学模型中的连杆柔性化，建立柔性连杆模型，将连杆的柔性变形对末端位置的影响分解为水平和竖直两个方向，并将其转化为矩阵形式。
5.根据权利要求1所述的一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，其特征在于：步骤四中，通过柔性关节模型求出总关节误差，通过正运动学求解出考虑柔性关节误差下的末段位置矢量，与刚性运动学模型的理论位置矢量作差，即为柔性关节项末段位置误差；同理，考虑连柔性杆误差下的末段位置矢量，与刚性运动学模型的理论位置矢量作差，即为柔性连杆项末段位置误差。
6.根据权利要求5所述的一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，其特征在于：柔性关节项末段位置误差与柔性连杆项末段位置误差之和即为总末段位置误差，最后根据总末段位置误差对刚性模型进行补偿误差即可。
7.一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差验证方法，用于验证权利要求1至6中任一项所述的一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差分析方法，其特征在于：利用三维建模软件建立机器人三维模型，并对模型中复杂异形零件以及重复小型部件进行简化，并该模型导入运动学仿真软件中对机器人进行运动学建模并仿真，对机器人各部件添加材料属性，对仿真结果进行合理化分析。
8.根据权利要求7所述的一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差验证方法，其特征在于：利用有限元软件对机械臂中影响末端定位精度的关键臂体等重要部件进行柔性化建模，将所建立的有限元模型替换原有运动学模型建立的刚性部件；在运动学仿真软件中在旋转关节处添加扭力弹簧，并设置合适的关节刚度C，用来代替原本的刚性运动副。
9.根据权利要求7所述的一种基于刚柔耦合的建筑机器人误差验证方法，其特征在于：添加不同负载，观察机器人末端位置误差，对理论分析结果进行验证。
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