基于动力学参数辨识的工业机器人力/位柔顺控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110561438A(43)申请公布日2019.12.13(21)申请号201910887041.X(22)申请日2019.09.19(71)申请人华中科技大学地址430074湖北省武汉市珞瑜路1037号(72)发明人宋宝唐小琦周向东徐意陈天航饶阿龙肖千红田勇(74)专利代理机构北京金智普华知识产权代理有限公司11401代理人杨采良(51)Int.Cl.B25J9/16(2006.01)权利要求书7页说明书15页附图6页(54)发明名称基于动力学参数辨识的工业机器人力/位柔顺控制方法(57)摘要本发明公开了一种基于动力学参数辨识的工业机器人力/位柔顺控制方法，包括以下步骤：利用牛顿-欧拉法构建带摩擦力模型的动力学方程；将动力学参数划分为连杆动力学参数和负载动力学参数；基于辨识后的完整动力学模型，提出阻抗控制算法实现力/位柔顺控制；通过机器人实验平台辨识连杆动力学参数和负载动力学参数，并对阻抗控制算法进行验证。本发明实现了工业机器人末端力/位柔顺控制，通过六连杆机器人实验平台辨识了连杆动力学参数和负载动力学参数，并对阻抗控制算法进行验证，在机器人通过有障碍轨迹时产生了最大为0.05mm的位置误差，证实了基于动力学模型的阻抗控制器的实用性和可靠性。CN110561438ACN110561438A权利要求书1/7页1.一种基于动力学参数辨识的工业机器人力/位柔顺控制方法，通过建立动力学模型分析工业机器人的运动状态和受力的关系，实现高精度的力/位柔顺控制，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，利用牛顿-欧拉法构建带摩擦力模型的动力学方程；步骤二，将动力学参数划分为连杆动力学参数和负载动力学参数，分别对连杆动力学参数和负载动力学参数进行辨识；步骤三，基于辨识后的完整动力学模型，提出阻抗控制算法实现力/位柔顺控制，分别设计基于位置和基于力矩的阻抗控制器，并利用基于力矩的阻抗控制器完成工业机器人末端力和位姿的协调控制；步骤四，通过机器人实验平台辨识连杆动力学参数和负载动力学参数，并对阻抗控制算法进行验证。2.根据权利要求1所述的一种基于动力学参数辨识的工业机器人力/位柔顺控制方法，其特征在于：步骤一中，所述摩擦力模型采用库伦-粘滞摩擦模型，构建关节i的摩擦力模型：式中，di表示关节i的粘滞系数矩阵，μi表示关节i的库仑系数矩阵；表示关节i的角速度，τf,i表示关节i的摩擦力；考虑关节摩擦力的动力学方程为：式中，M(q)表示惯性矩阵，表示离心力矩与哥氏力矩，G(q)表示重力力矩，d和μ为斜对角矩阵，q,分别表示关节的角度、角速度和角加速度，τ表示关节力矩。3.根据权利要求1所述的一种基于动力学参数辨识的工业机器人力/位柔顺控制方法，其特征在于：步骤二中，在连杆动力学参数辨识中，计算线性摩擦力，通过空载动力学模型构建待辨识的连杆动力学参数集，并提出改进遗传算法进行识别，实现更为高效的收敛速度。4.根据权利要求3所述的一种基于动力学参数辨识的工业机器人力/位柔顺控制方法，其特征在于：考虑摩擦系数，连杆i的待辨识动力学参数包括：Tλi＝[mi,si,x,si,y,si,z,Ii,xx,Ii,yy,Ii,zz,Ii,xy,Ii,xz,Ii,yz,di,μi]式中，mi代表连杆i的质量，si,x代表连杆i的质心位置在xi上的坐标，si,y代表连杆i的质22心位置在yi上的坐标，si,z代表连杆i的质心位置在zi上的坐标，Ii,xx＝∫∫∫V(yi+zi)ρdυ、2222Ii,yy＝∫∫∫V(xi+zi)ρdυ、Ii,zz＝∫∫∫V(xi+yi)ρdυ分别表示连杆i绕xi,yi,zi参考坐标轴的质量惯性矩，Ii,xy＝∫∫∫Vxiyiρdυ、Ii,xz＝∫∫∫Vzixiρdυ、Ii,yz＝∫∫∫Vyiziρdυ分别表示连杆i绕xiyi,xizi,yizi平面的惯性积，其中ρ表示连杆密度，v表示连杆体积，di代表关节i的粘滞系数，μi代表关节i的库仑系数；n自由度机器人待识别的连杆动力学参数集表示为：Tλfull＝[λ1λ2...λn]空载时，动力学方程和关节运动状态及连杆动力学参数有关，表示为：2CN110561438A权利要求书2/7页式中，τlink代表空载关节力矩。5.根据权利要求4所述的一种基于动力学参数辨识的工业机器人力/位柔顺控制方法，其特征在于：所述改进遗传算法辨识连杆动力学参数的过程如下，其中，设置辨识过程中迭代代数为K，种群个数为Np：(1)根据适应度选择Np组连杆动力学参数集组成新的种群，使具有较优适应度的连杆动力学参数集参与迭代过程，这里采用最佳保留选择的方法，个体参与繁殖的概率等于该个体适应度除以群体适应度的总和；若连杆动力学参数集j的适应度是f(j)，则j