CN106292338B - 一种机器人运动学和动力学模型验证系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械自动化技术领域，涉及机器人运动学和动力学模型验证系统和方法。一种机器人运动学和动力学模型验证系统，包括底座、动平台、拉线编码器、转矩传感器；所述的拉线编码器通过螺栓固定在底座上，拉线编码器的拉线通过螺栓固定在动平台上，转矩传感器通过法兰盘螺栓连接动平台。本发明的机器人运动学和动力学模型验证系统构造简单，验证方法易于操作，大大降低了机器人动力学模型的验证难度，同时降低了验证成本。

Description

一种机器人运动学和动力学模型验证系统及方法
技术领域
本发明属于机械自动化技术领域，涉及机器人运动学和动力学模型验证系统和方法。
背景技术
在机器人作业过程中为了能充分利用电机功率、提高工作效率、优化机器人运动轨迹、提高机器人控制精度，都需要用到机器人的动力学模型。机器人模型建立之后其正确与否，需要一种检测平台进行验证。
动力学模型要解决的问题：（1）根据负载情况以及所要求的加速度求取所需的电机力矩。（2）根据电机输出力矩以及动平台负载情况求取末端端拾器的速度、加速度。因此验证动力学模型需要检测的物理量有：动平台位置以及姿态，电机输出力矩、机械手末端受力。
现有技术中，机器人动力学模型验证困难，专用验证设备价格昂贵，使很多中小企业负担不起。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种简易可行的动力学验证系统和方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种机器人运动学和动力学模型验证系统，包括底座、动平台、拉线编码器、转矩传感器；所述的拉线编码器通过螺栓固定在底座上，拉线编码器的拉线通过螺栓固定在动平台上，转矩传感器通过法兰盘螺栓连接动平台。
所述的底座为正六边形，底座每条边的中点位置固定一个拉线编码器。
本发明还提供一种机器人运动学和动力学模型验证方法，包括以下步骤：
（1）、通过法兰盘螺栓将转矩传感器连接到需要被记录轨迹的机器人末端；
（2）、将拉线编码器接入固高运动控制卡GTS-400-pg 1-6轴，进行编码器计数采集；
（3）、将转矩传感器通过6通道研华AD数据采集卡送入工控机，进行机器人末端负载的数据采集；
（4）、运动控制系统由Ethercat运动控制器和ethercat伺服驱动器架构，通过编程使机器人完成某一轨迹运动；
（5）、机器人运动的过程中运动控制器每隔4ms记录一组数据，包括关节位置、电机输出力矩数据；并通过脉冲触发方式触发工控机记录六个编码器位置数据，以及机器人末端负载；
（6）、数据分析：根据关节位置或拉线编码器的位置数据，以及用户建立的运动学模型可以计算出机器人末端位置数据；根据拉线编码器位置数据以及Stewart平台运动学模型可以计算出动平台位置数据；
（7）、运动学和动力学模型的验证：通过对比动平台位置数据以及机器人末端位置数据可以验证运动学模型的正确性以及精度；通过电机输出力矩、机器人末端负载，运用机器人动力学模型可以计算出机器人末端运动轨迹；该轨迹与动平台轨迹进行对比可以验证机器人动力学模型正确与否。
本发明的机器人运动学和动力学模型验证方法，由总线型运动控制器和总线型智能伺服驱动器为平台，通过六个拉线编码器输出的位置随时间的关系在已知六个拉线编码器固定安装位置的情况下，借助Stewart平台正向运动学算法，可以求出六自由度动平台的位置和姿态随时间的变化关系，从而得出动平台的运动速度以及加速度。通过拉线编码器施加的六维力，转矩传感器可以测出机器人末端负载情况，而从总线型伺服驱动器中可以读出电机输出扭矩。机器人动力学模型就建立了电机输出扭矩与期望端拾器负载之间的映射关系，因此通过以上测试可以验证动力学模型是否正确。
本发明的机器人运动学和动力学模型验证系统构造简单，验证方法易于操作，大大降低了机器人动力学模型的验证难度，同时降低了验证成本。
附图说明
图1是本发明的机器人运动学和动力学模型验证系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的机器人运动学和动力学模型验证系统及方法进行详细的介绍。
如图1所示，本发明的机器人运动学和动力学模型验证系统，包括底座1、拉线编码器2、动平台3、转矩传感器4；底座1为正六边形，拉线编码器2通过螺栓固定在底座的每条边的中点位置，拉线编码器2的拉线通过螺栓固定在动平台上，转矩传感器4通过法兰盘螺栓连接动平台3。验证时，转矩传感器4通过法兰盘螺栓与机器人末端连接。
本发明的机器人运动学和动力学模型验证方法，具体步骤如下：1、通过法兰盘螺栓将转矩传感器连接到需要被记录轨迹的机器人末端。
2、将机器人末端带动动平台移动到零点位置进行零点标定。
3、将拉线编码器接入固高运动控制卡GTS-400-pg 1-6轴，进行编码器计数采集；运动控制卡插在工控机的PCI插槽内。
4、将转矩传感器通过6通道研华AD数据采集卡送入工控机，进行机器人末端负载的数据采集。
5、运动控制系统由Ethercat运动控制器和ethercat伺服驱动器架构，通过编程使机器人完成某一轨迹运动。
6、机器人运动的过程中运动控制器每隔4ms记录一组数据，包括关节位置（即伺服电机位置）、电机输出力矩数据（即伺服电机电流）；并通过脉冲触发方式触发工控机记录六个编码器位置数据，以及机器人末端负载（通过采集转矩传感器的六维力而得到）。采集的数据如表1所示。
表1机器人运动的过程中运动控制器采集的数据
关节位置 拉线编码器位置 电机输出力矩 机器人末端负载
数据1
数据2
数据3
……
7、数据分析：根据关节位置或拉线编码器的位置数据，以及用户建立的运动学模型可以计算出机器人末端位置数据；根据拉线编码器位置数据以及Stewart平台运动学模型可以计算出动平台位置数据。
8、运动学和动力学模型的验证：通过对比动平台位置数据以及机器人末端位置数据可以验证运动学模型的正确性以及精度；通过电机输出力矩、机器人末端负载，运用机器人动力学模型可以计算出机器人末端运动轨迹；该轨迹与动平台轨迹进行对比可以验证机器人动力学模型正确与否。

Claims (3)

1.一种机器人运动学和动力学模型验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、通过法兰盘螺栓将转矩传感器连接到需要被记录轨迹的机器人末端；
(2)、将拉线编码器接入固高运动控制卡GTS-400-pg 1-6轴，进行编码器计数采集；
(3)、将转矩传感器通过6通道研华AD数据采集卡送入工控机，进行机器人末端负载的数据采集；
(4)、运动控制系统由Ethercat运动控制器和ethercat伺服驱动器架构，通过编程使机器人完成某一轨迹运动；
(5)、机器人运动的过程中运动控制器每隔4ms记录一组数据，包括关节位置、电机输出力矩数据；并通过脉冲触发方式触发工控机记录六个编码器位置数据，以及机器人末端负载；
(6)、数据分析：根据关节位置或拉线编码器的位置数据，以及用户建立的运动学模型可以计算出机器人末端位置数据；根据拉线编码器位置数据以及Stewart平台运动学模型可以计算出动平台位置数据；
(7)、运动学和动力学模型的验证：通过对比动平台位置数据以及机器人末端位置数据可以验证运动学模型的正确性以及精度；通过电机输出力矩、机器人末端负载，运用机器人动力学模型可以计算出机器人末端运动轨迹；该轨迹与动平台轨迹进行对比可以验证机器人动力学模型正确与否。
2.一种用于实现如权利要求1所述方法的系统，其特征在于：包括底座、动平台、拉线编码器、转矩传感器；所述的拉线编码器通过螺栓固定在底座上，拉线编码器的拉绳通过螺栓固定在动平台上，转矩传感器通过法兰盘螺栓连接动平台。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的底座为正六边形，拉线编码器固定在底座每条边的中点位置。
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