CN109262611A - 一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法及装置 - Google Patents

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CN109262611A CN201811167885.9A CN201811167885A CN109262611A CN 109262611 A CN109262611 A CN 109262611A CN 201811167885 A CN201811167885 A CN 201811167885A CN 109262611 A CN109262611 A CN 109262611A
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Abstract

本发明公开了一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法，方法包括：1)、将机械臂柔性关节分解成由减速器和电机构成的系统，其中，减速器包括：柔性齿轮和波发生器，且减速器的一端与机器人关节的输出轴连接，减速器的另一端与机器人关节中的电机的转子连接；电机的定子与机器人关节的底座连接；2)、获取柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，根据柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角获取总扭转形变角度；3)、将总扭转形变角度作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。本发明还公开了一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置。应用本发明，提高了获取的总扭转变形角度的准确性。

Description

一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法及装置
技术领域
本发明涉及一种扭转变形角度的获取方法及装置，更具体涉及一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法及装置。
背景技术
机械臂在特殊作业时，要求其提供的输出力矩足够大，比如开门、拧动阀门等。为了满足机械臂具有较高的荷/质比，往往会在机械臂关节内部集成大减速比的减速器，包括柔性较小的RV减速器，柔性较大的谐波减速器。这些减速器的使用，使得机械臂的关节产生了柔性。
传统模型认为传动部分作为一个完全刚性的齿轮减速机构，体现的是理想的传动中线性输入/输出关系，传统的关节控制方法都是基于简化系统动力学模型的思想进行相应的算法设计，只适用于刚性关节。而新型的柔性关节的出现，因有传动部分的柔性、非线性粘滞摩擦，以及齿轮啮合时的运动误差的存在，导致根据传统的线性输入/输出关系进行柔性关节的总扭转变形角度的获取方法获取的总扭转变形角度不够准确的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法及装置。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明实施例提供了一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法，所述方法包括：
1)、基于虚拟分解理论，将需要进行动力学建模的机械臂柔性关节分解成由减速器和电机构成的系统，其中，所述减速器包括：柔性齿轮和波发生器，且所述减速器的一端与机器人关节的输出轴连接，所述减速器的另一端与机器人关节中的电机的转子连接；所述电机的定子与机器人关节的底座连接；
2)、获取柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角获取总扭转形变角度；
3)、将所述总扭转形变角度作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
可选的，所述步骤2)，包括：
根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，利用公式，获取总扭转变形角度，其中，
Δθ为总扭转变形角度；Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；l为减速器的减速比。
可选的，所述获取柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，包括：
利用公式，获取柔性齿轮变形产生的扭矩角，其中，
Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；atan()为反正切函数；cf为第一常量；τf为柔性齿轮力矩；Kfo为第二常量；
利用公式，获取波发生器变形产生的扭矩角，其中，
Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；sgn为符号函数；cω为第三常量；τω为波发生器力矩；Kωo为第四常量；e为自然底数。
可选的，所述第一常量的计算公式为：
其中，
cf为第一常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
可选的，所述第二常量的计算公式为：
其中，
Kfo为第二常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
可选的，第三常量的计算公式为，
其中，
cω为第三常量；ψ为波发生器的滞耗系数；Kωo为第四常量。
可选的，所述步骤3)，包括：
针对柔性机器人关节传动的测量结果进行统计，获取所述柔性误差；
将所述总扭转形变角度与所述柔性误差之和作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
本发明实施例还提供了一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置，所述装置包括：
分解模块，用于基于虚拟分解理论，将需要进行动力学建模的机械臂柔性关节分解成由减速器和电机构成的系统，其中，所述减速器包括：柔性齿轮和波发生器，且所述减速器的一端与机器人关节的输出轴连接，所述减速器的另一端与机器人关节中的电机的转子连接；所述电机的定子与机器人关节的底座连接；
获取模块，用于获取柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角获取总扭转形变角度；
设置模块，用于将所述总扭转形变角度作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
可选的，所述获取模块，用于：
根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，利用公式，获取总扭转变形角度，其中，
Δθ为总扭转变形角度；Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；l为减速器的减速比。
可选的，所述获取模块，用于：
利用公式，获取柔性齿轮变形产生的扭矩角，其中，
Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；atan()为反正切函数；cf为第一常量；τf为柔性齿轮力矩；Kfo为第二常量；
利用公式，获取波发生器变形产生的扭矩角，其中，
Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；sgn为符号函数；cω为第三常量；τω为波发生器力矩；Kωo为第四常量；e为自然底数。
可选的，所述第一常量的计算公式为：
其中，
cf为第一常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
可选的，所述第二常量的计算公式为：
其中，
Kfo为第二常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
可选的，第三常量的计算公式为，
其中，
cω为第三常量；ψ为波发生器的滞耗系数；Kωo为第四常量。
可选的，所述设置模块，用于：
针对柔性机器人关节传动的测量结果进行统计，获取所述柔性误差；
将所述总扭转形变角度与所述柔性误差之和作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
本发明相比现有技术具有以下优点：
应用本发明实施例，基于虚拟分解原理，基于柔性齿轮和波发生器，将引起关节传动非线性的三种原因并入到建立的动力学模型上，相对于现有技术中将齿轮以及波发生器作为刚性器件进行计算，提高了获取的总扭转变形角度的准确性。
附图说明
图1为一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的柔性机器人关节的柔性分布示意图；
图3为本发明实施例提供的柔性机器人关节的简化结构示意图；
图4为本发明实施例提供的柔性机器人关节中的减速器的传动结构示意图；
图5为一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
为解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法及装置。
下面首先就本发明实施例提供的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法进行介绍。
图1为一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
S101：基于虚拟分解理论，将需要进行动力学建模的机械臂柔性关节分解成由减速器和电机构成的系统，其中，所述减速器包括：柔性齿轮和波发生器，且所述减速器的一端与机器人关节的输出轴连接，所述减速器的另一端与机器人关节中的电机的转子连接；所述电机的定子与机器人关节的底座连接；
具体的，图2为本发明实施例提供的柔性机器人关节的柔性分布示意图，如图2所示，201为高荷质比的柔性机器人的机械手的结构示意图；202为高荷质比的柔性机器人关节的结构示意图；203为虚拟分解后的高荷质比的柔性机器人关节的中的电机，204为虚拟分解后的高荷质比的柔性机器人关节的中的柔性齿轮，205为虚拟分解后的高荷质比的柔性机器人关节的波发生器。电机203输出的动力输入给柔性齿轮204，柔性齿轮204将动力输送到波发生器205，进而实现电机203动力的传递和变速。
图3为本发明实施例提供的柔性机器人关节的简化结构示意图，如图3所示，电机203的定子301固定在底座310上，电机301的转子302的输出端与减速器320连接，减速器由柔性齿轮204和波发生器205构成。
在动力传递过程中，柔性齿轮204在高荷质比的工况下，会产生一定的柔性变形，进而导致电机203输入给柔性齿轮204的输入扭转角θi与柔性齿轮204的输出扭转角qi产生差异；而且在波发生器205工作过程中，由于变形导致的波发生器的输入输出产生一定的变化，另外，波发生器205与柔性齿轮204在齿轮的啮合过程中也会产生啮合误差，进而导致减速器的总输入扭转角τmi与减速器的总输出扭转角τi的变化是非线性的。
S102：获取柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角获取总扭转形变角度；
具体的，S102步骤可以包括以下步骤：
A：所述第一常量的计算公式为：
其中，
cf为第一常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
B：所述第二常量的计算公式为：
其中，
Kfo为第二常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
C：利用公式，获取柔性齿轮变形产生的扭矩角，其中，
Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；atan()为反正切函数；cf为第一常量；τf为柔性齿轮力矩；Kfo为第二常量；
D：第三常量的计算公式为，
其中，
cω为第三常量；ψ为波发生器的滞耗系数；Kωo为第四常量。
E：利用公式，获取波发生器变形产生的扭矩角，其中，Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；sgn为符号函数；cω为第三常量；τω为波发生器力矩；Kωo为第四常量；e为自然底数。
F：图4为本发明实施例提供的柔性机器人关节中的减速器的传动结构示意图，由图4可知：柔性齿轮的总扭转形变角度由三部分构成：柔性齿轮产生的扭矩角Δθf、波发生器产生的扭矩角以及柔性齿轮和波发生器之间传动产生的扭矩角，其中，
可以利用公式，Δθf＝θfo-θfi，获取柔性齿轮变形产生的扭矩角，其中，Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；θfo为柔性齿轮的输出端位置；θfi为柔性齿轮的输入端位置；
波发生器产生的扭矩角为：其中，θfi为柔性齿轮的输入端位置；l为减速器的减速比；θωo为柔性齿轮的输出端位置。在实际应用中，也可以利用公式，Δθω＝θωo-θωi，获取波发生器变形产生的扭矩角，其中，Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；θωo为柔性齿轮的输出端位置；θωi为柔性齿轮的输入端位置。
柔性齿轮和波发生器之间传动产生的扭矩角为：其中，θωi为柔性齿轮的输入端位置。
则有，柔性机器人关节的总扭转形变角度：
其中，Δθ为柔性齿轮的总扭转形变角度；。
将公式θωo＝-lθfi，代入公式，中，
则有，
因此，可以根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，利用公式，获取总扭转变形角度，其中，Δθ为总扭转变形角度；Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；l为减速器的减速比。
S103：将所述总扭转形变角度作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
具体的，可以针对柔性机器人关节传动的测量结果进行统计，获取所述柔性误差；将所述总扭转形变角度与所述柔性误差之和作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
可以将Δθ目标＝Δθ+θerr，其中，Δθ目标为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度；Δθ为S102步骤中计算的总扭转变形角度；θerr为柔性误差。
应用本发明实施例，基于虚拟分解原理，基于柔性齿轮和波发生器，将引起关节传动非线性的三种原因并入到建立的动力学模型上，相对于现有技术中将齿轮以及波发生器作为刚性器件进行计算，提高了获取的总扭转变形角度的准确性。
与本发明图1所示实施例相对应，本发明还提供了一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置。
图5为一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置结构示意图，如图5所示，所述装置包括：
分解模块501，用于基于虚拟分解理论，将需要进行动力学建模的机械臂柔性关节分解成由减速器和电机构成的系统，其中，所述减速器包括：柔性齿轮和波发生器，且所述减速器的一端与机器人关节的输出轴连接，所述减速器的另一端与机器人关节中的电机的转子连接；所述电机的定子与机器人关节的底座连接；
获取模块502，用于获取柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角获取总扭转形变角度；
设置模块503，用于将所述总扭转形变角度作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
应用本发明图5所示实施例，基于虚拟分解原理，基于柔性齿轮和波发生器，将引起关节传动非线性的三种原因并入到建立的动力学模型上，相对于现有技术中将齿轮以及波发生器作为刚性器件进行计算，提高了获取的总扭转变形角度的准确性。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述获取模块502，用于：
根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，利用公式，获取总扭转变形角度，其中，
Δθ为总扭转变形角度；Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；l为减速器的减速比。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述获取模块502，用于：
利用公式，获取柔性齿轮变形产生的扭矩角，其中，
Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；atan()为反正切函数；cf为第一常量；τf为柔性齿轮力矩；Kfo为第二常量；
利用公式，获取波发生器变形产生的扭矩角，其中，
Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；sgn为符号函数；cω为第三常量；τω为波发生器力矩；Kωo为第四常量；e为自然底数。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述第一常量的计算公式为：
其中，
cf为第一常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述第二常量的计算公式为：
其中，
Kfo为第二常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，第三常量的计算公式为，
其中，
cω为第三常量；ψ为波发生器的滞耗系数；Kωo为第四常量。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述设置模块503，用于：
针对柔性机器人关节传动的测量结果进行统计，获取所述柔性误差；
将所述总扭转形变角度与所述柔性误差之和作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法，其特征在于，所述方法包括：
1)、基于虚拟分解理论，将需要进行动力学建模的机械臂柔性关节分解成由减速器和电机构成的系统，其中，所述减速器包括：柔性齿轮和波发生器，且所述减速器的一端与机器人关节的输出轴连接，所述减速器的另一端与机器人关节中的电机的转子连接；所述电机的定子与机器人关节的底座连接；
2)、获取柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角获取总扭转形变角度；
3)、将所述总扭转形变角度作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
2.根据权利要求1所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法，其特征在于，所述步骤2)，包括：
根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，利用公式，获取总扭转变形角度，其中，
Δθ为总扭转变形角度；Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；l为减速器的减速比。
3.根据权利要求1所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法，其特征在于，所述获取柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，包括：
利用公式，获取柔性齿轮变形产生的扭矩角，其中，
Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；atan()为反正切函数；cf为第一常量；τf为柔性齿轮力矩；Kfo为第二常量；
利用公式，获取波发生器变形产生的扭矩角，其中，
Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；sgn为符号函数；cω为第三常量；τω为波发生器力矩；Kωo为第四常量；e为自然底数。
4.根据权利要求3所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法，其特征在于，所述第一常量的计算公式为：
其中，
cf为第一常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
5.根据权利要求3所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法，其特征在于，所述第二常量的计算公式为：
其中，
Kfo为第二常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
6.根据权利要求3所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法，其特征在于，第三常量的计算公式为，
其中，
cω为第三常量；ψ为波发生器的滞耗系数；Kωo为第四常量。
7.根据权利要求1所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取方法，其特征在于，所述步骤3)，包括：
针对柔性机器人关节传动的测量结果进行统计，获取所述柔性误差；
将所述总扭转形变角度与所述柔性误差之和作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
8.一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置，其特征在于，所述装置包括：
分解模块，用于基于虚拟分解理论，将需要进行动力学建模的机械臂柔性关节分解成由减速器和电机构成的系统，其中，所述减速器包括：柔性齿轮和波发生器，且所述减速器的一端与机器人关节的输出轴连接，所述减速器的另一端与机器人关节中的电机的转子连接；所述电机的定子与机器人关节的底座连接；
获取模块，用于获取柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角获取总扭转形变角度；
设置模块，用于将所述总扭转形变角度作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
9.根据权利要求8所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置，其特征在于，所述获取模块，用于：
根据所述柔性齿轮变形产生的扭矩角、波发生器变形产生的扭矩角，利用公式，获取总扭转变形角度，其中，
Δθ为总扭转变形角度；Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；l为减速器的减速比。
10.根据权利要求8所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置，其特征在于，所述获取模块，用于：
利用公式，获取柔性齿轮变形产生的扭矩角，其中，
Δθf为柔性齿轮变形产生的扭矩角；atan()为反正切函数；cf为第一常量；τf为柔性齿轮力矩；Kfo为第二常量；
利用公式，获取波发生器变形产生的扭矩角，其中，
Δθω为柔性齿轮变形产生的扭矩角；sgn为符号函数；cω为第三常量；τω为波发生器力矩；Kωo为第四常量；e为自然底数。
11.根据权利要求10所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置，其特征在于，所述第一常量的计算公式为：
其中，
cf为第一常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
12.根据权利要求10所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置，其特征在于，所述第二常量的计算公式为：
其中，
Kfo为第二常量；K1为扭矩值为T1/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；K2为扭矩值为(T1+T2)/2时，柔性齿轮的局部弹性系数；T1为设定的第一扭矩值；T2为设定的第二扭矩值。
13.根据权利要求10所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置，其特征在于，第三常量的计算公式为，
其中，
cω为第三常量；ψ为波发生器的滞耗系数；Kωo为第四常量。
14.根据权利要求8所述的一种柔性机器人关节总扭转形变角度的获取装置，其特征在于，所述设置模块，用于：
针对柔性机器人关节传动的测量结果进行统计，获取所述柔性误差；
将所述总扭转形变角度与所述柔性误差之和作为柔性机器人关节的目标总扭转形变角度。
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