CN108638070A - 基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，包括：建立工业机器人负载动力学参数模型；根据所述负载动力学参数模型建立关节驱动力和负载参数的独立对应关系，获得所述工业机器人特殊构型下单关节的均匀慢速运动的辨识轨迹；根据分析得到的辨识运动轨迹，先后使所述工业机器人运动到相应的特定构型，然后特定关节执行均匀慢速运动，当前关节运动时，其他关节静止不动；通过运动过程中关节运动参数和驱动力矩参数，计算得到负载重力学参数。本发明对空间限制不敏感，任务现场适应范围广，无需额外测量设备，成本低便于应用。

Description

基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法。

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，通过控制系统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。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，负载结构重量、重心等动力学参数与设计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通过设计参数准确获得。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动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，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，τ_link为所述工业机器人本体运动时关节驱动力；τ_linkload为有工具负载时，所述工业机器人的关节驱动力；为各关节运动时的惯性力项；为各关节运动时的摩擦力项；为各关节运动的科氏力和离心力；G_link(q)为所述工业机器人本体运动各关节运动的重力；G_load(q)为有工具负载重力产生的关节驱动力；；

根据所述负载动力学参数模型建立关节驱动力和负载参数的独立对应关系，获得所述工业机器人特殊构型下单关节的均匀慢速运动的辨识轨迹；

步骤S2，根据分析得到的辨识运动轨迹，先后使所述工业机器人运动到相应的特定构型，然后特定关节执行均匀慢速运动，当前关节运动时，其他关节静止不动；

步骤S3，通过运动过程中关节运动参数和驱动力矩参数，计算得到负载重力学参数。

进一步，在所述步骤S1，当安装工具负载前后执行相同的运动轨迹时则有：

τ_load＝τ_linkload-τ_link＝J^T(q)W_load

其中，

L＝[m,s_x,s_y,s_z,I_xx,I_yy,I_zz]^T

其中，W_load为负载与关节六固联时，负载运动对工业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V_ee共同决定，动力学参数L均在机器人末端法兰坐标系中定义，包括负载质量m、三轴质心距s＝[s_x,s_y,s_z]和惯性矩[I_xx,I_yy,I_zz]；I^R为负载惯量矩阵；为重力矢量；J(q)为雅克比矩阵；为各关节角速度。

进一步，在所述步骤S1中，当机器人特定单关节执行均匀慢速转动时，单关节出力与工具负载作用在末端的力之间的关系为：

τ_load＝mgLcosθ+τ_f＝K_gcosθ+τ_f

其中，m为负载质量，g为重力加速度，L为质心距，cosθ为关节转角的余弦，τ_f为关节摩擦力矩，K_g＝mgL；上式说明τ_load与cosθ成线性关系，通过数据拟合可辨识这一关系，从而计算出负载重力参数。

进一步，在所述步骤S1中，确定在机器人处于特定位形时，特定单关节运动出力与工具负载作用在末端的力之间的关系：

(1)当所述工业机器人处于零位时，5轴运动处理与负载重力存在关系：

上式中L₃₆表示3、6轴间距离；

(2)当所述工业机器人处于零位时，5轴运动处理与负载重力存在关系：

(3)当所述工业机器人处于零位时，6轴运动处理与负载重力存在关系：

(4)当所述工业机器人处于零位然后4轴偏转90°时，6轴运动处理与负载重力存在关系：

进一步，在所述步骤S3中，计算负载重力学参数m、s_x、s_y、s_z：

m＝f_m(τ_{load_3}，τ_{load_5}，L₃₆，L₅₆)

s_x＝f_sx(m,τ_{load_5})

s_y＝f_sy(m,τ_{load_6_0})

s_z＝f_sz(m,τ_{load_6_90})。

根据本发明实施例的基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，通过特殊的关节运动和算法，在不依赖机器人本体动力学参数的条件下，可独立获取负载重量、质心位置参数，可应用于机器人的重力补偿、拖动示教控制。具有以下几个优点：

1)辨识过程中只需机器人3至6轴在一定小范围内运动，对空间限制不敏感，任务现场适应范围广。

2)辨识过程只需采集机器人自身运动参数，无需额外测量设备，成本低便于应用。

3)采用有/无负载时的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无需本体动力学参数，因此便于应用。

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为根据本发明实施例的基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的动力学参数在工业机器人末端法兰坐标系的示意图；

图3为根据本发明实施例的机器人特定单关节执行均匀慢速转动的运动示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述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。

本发明提出一种基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，实现工业机器人负载重力参数辨识运动轨迹设计，特别是特殊构型下单关节的均匀慢速运动的辨识轨迹，将关节驱动力与负载参数独立对应，简化了驱动力矩与负载参数的关系；提供负载重力参数辨识数据处理方法，特别是由线性关系拟合计算的方法和负载重力参数的计算方法。

如图1所示，本发明实施例的基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，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，τ_link为工业机器人本体运动时关节驱动力；τ_linkload为有工具负载时，工业机器人的关节驱动力；为各关节运动时的惯性力项；为各关节运动时的摩擦力项；为各关节运动的科氏力和离心力；G_link(q)为所述工业机器人本体运动各关节运动的重力；G_load(q)为有工具负载重力产生的关节驱动力。

然后，根据负载动力学参数模型建立关节驱动力和负载参数的独立对应关系，获得工业机器人特殊构型下单关节的均匀慢速运动的辨识轨迹。

在步骤S1，当安装工具负载前后执行相同的运动轨迹时则有：

τ_load＝τ_linkload-τ_link＝J^T(q)W_load (2)

其中，

L＝[m,s_x,s_y,s_z,I_xx,I_yy,I_zz]^T

其中，W_load为负载与关节六固联时，负载运动对工业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V_ee共同决定，动力学参数L均在机器人末端法兰坐标系中定义，包括负载质量m、三轴质心距s＝[s_x,s_y,s_z]和惯性矩[I_xx,I_yy,I_zz]；I^R为负载惯量矩阵；为重力矢量；J(q)为雅克比矩阵；为各关节角速度，如图2所示。

当机器人特定单关节执行均匀慢速转动时，单关节出力与工具负载作用在末端的力之间的关系为：

τ_load＝mgLcosθ+τ_f＝K_gcosθ+τ_f (3)

其中，m为负载质量，g为重力加速度，L为质心距，cosθ为关节转角的余弦，τ_f为关节摩擦力矩，K_g＝mgL。图3为机器人特定单关节执行均匀慢速转动的运动示意图。上式说明τ_load与cosθ成线性关系，通过数据拟合可辨识这一关系，从而计算出负载重力参数。

进而，确定在机器人处于特定位形时，特定单关节运动出力与工具负载作用在末端的力之间的关系：

(1)当工业机器人处于零位时，5轴运动处理与负载重力存在关系：

上式中L₃₆表示3、6轴间距离；

(2)当工业机器人处于零位时，5轴运动处理与负载重力存在关系：

(3)当工业机器人处于零位时，6轴运动处理与负载重力存在关系：

(4)当工业机器人处于零位然后4轴偏转90°时，6轴运动处理与负载重力存在关系：

步骤S2，根据分析得到的辨识运动轨迹，先后使工业机器人运动到相应的特定构型，然后特定关节执行均匀慢速运动，当前关节运动时，其他关节静止不动。

步骤S3，进行负载辨识运动数据采集与处理，通过运动过程中关节运动参数和驱动力矩参数，计算得到负载重力学参数。

对式(4)～(7)，通过运动过程中关节运动参数和驱动力矩参数，可得到负载重力学参数m、s_x、s_y、s_z：

m＝f_m(τ_{load_3}，τ_{load_5}，L₃₆,L₅₆) (4)

s_x＝f_sx(m,τ_{load_5}) (5)

s_y＝f_sy(m,τ_{load_6_0}) (6)

s_z＝f_sz(m,τ_{load_6_90}) (7)

根据本发明实施例的基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，通过特殊的关节运动和算法，在不依赖机器人本体动力学参数的条件下，可独立获取负载重量、质心位置参数，可应用于机器人的重力补偿、拖动示教控制。具有以下几个优点：

1)辨识过程中只需机器人3至6轴在一定小范围内运动，对空间限制不敏感，任务现场适应范围广。

2)辨识过程只需采集机器人自身运动参数，无需额外测量设备，成本低便于应用。

3)采用有/无负载时的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无需本体动力学参数，因此便于应用。

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 (5)

1.一种基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，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，τ_link为所述工业机器人本体运动时关节驱动力；τ_linkload为有工具负载时，所述工业机器人的关节驱动力；为各关节运动时的惯性力项；为各关节运动时的摩擦力项；为各关节运动的科氏力和离心力；G_link(q)为所述工业机器人本体运动各关节运动的重力；G_load(q)为有工具负载重力产生的关节驱动力；

根据所述负载动力学参数模型建立关节驱动力和负载参数的独立对应关系，获得所述工业机器人特殊构型下单关节的均匀慢速运动的辨识轨迹；

步骤S2，根据分析得到的辨识运动轨迹，先后使所述工业机器人运动到相应的特定构型，然后特定关节执行均匀慢速运动，当前关节运动时，其他关节静止不动；

步骤S3，通过运动过程中关节运动参数和驱动力矩参数，计算得到负载重力学参数。

2.如权利要求1所述的基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，其特征在于，在所述步骤S1，s_x当安装工具负载前后执行相同的运动轨迹时则有：

τ_load＝τ_linkload-τ_link＝J^T(q)W_load

其中，

L＝[m,s_x,s_y,s_z,I_xx,I_yy,I_zz]^T

其中，W_load为负载与关节六固联时，负载运动对工业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V_ee共同决定，动力学参数L均在机器人末端法兰坐标系中定义，包括负载质量m、三轴质心距s＝[s_x,s_y,s_z]和惯性矩[I_xx,I_yy,I_zz]；I^R为负载惯量矩阵；为重力矢量；J(q)为雅克比矩阵；为各关节角速度。

3.如权利要求2所述的基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，其特征在于，在所述步骤S1中，当机器人特定单关节执行均匀慢速转动时，单关节出力与工具负载作用在末端的力之间的关系为：

τ_load＝mgLcosθ+τ_f＝K_gcosθ+τ_f

其中m，m为负载质量，g为重力加速度，L为质心距，cosθ为关节转角的余弦，τ_f为关节摩擦力矩，K_g＝mgL；上式说明τ_load与cosθ成线性关系，通过数据拟合可辨识这一关系，从而计算出负载重力参数。

4.如权利要求2所述的基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，其特征在于，在所述步骤S1中，确定在机器人处于特定位形时，特定单关节运动出力与工具负载作用在末端的力之间的关系：

(1)当所述工业机器人处于零位时，5轴运动处理与负载重力存在关系：

上式中L₃₆表示3、6轴间距离；

(2)当所述工业机器人处于零位时，5轴运动处理与负载重力存在关系：

(3)当所述工业机器人处于零位时，6轴运动处理与负载重力存在关系：

(4)当所述工业机器人处于零位然后4轴偏转90°时，6轴运动处理与负载重力存在关系：

5.如权利要求4所述的基于动态平衡的机器人负载重力参数辨识方法，其特征在于，在所述步骤S3中，根据下述关系式计算负载重力学参数m、s_x、s_y、s_z：

m＝f_m(τ_{load_3},τ_{load_5},L₃₆,L₅₆)

s_x＝f_sx(m,τ_{load_5})

s_y＝f_sy(m,τ_{load_6_0})

s_z＝f_sz(m,τ_{load_6_90})。