CN110039575A - 四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法，其特征是以储能缸下端点在机器人坐标系中的位置以及弹簧储能缸中弹簧初始形变量为位置参数变量，设定大臂驱动扭矩峰值最小化为控制目标，通过萤火虫算法计算获得四轴机器人在不同工作轨迹下的弹簧储能缸的最佳位置参数；基于弹簧储能缸的最佳位置参数，通过设计可调节装置机构实现调节储能缸到优化位置。本发明在平衡大臂扭矩的同时，能有效降低大臂扭矩峰值，提升工作性能，降低成本。

Description

四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法

技术领域

本发明涉及四轴机器人中弹簧储能缸的配置方法，更具体地说是四轴机器人中弹簧储能缸的最佳位置配置方法。

背景技术

目前，四轴机器人在各行业中已经普通使用，四轴机器人是在腰部、大臂和小臂之间利用关节进行连接；关节处安装有伺服电机和减速器，包括在大臂与腰部之间设置大臂驱动电机，其大臂驱动电机的输出轴即为大臂驱动轴，根据相应工作任务需求进行控制，使各关节有条不紊地运作以致完成设定的任务；四轴机器人作为码垛机器人在对于过重的货物进行堆垛时，驱动电机的负荷很大，甚至超过电机的最大许用功率，这会对机器人的运作和本体都带来伤害，尤其是大臂驱动电机承受的负荷和不平衡力矩较为明显，为了平衡过载负荷，已有的方法是在机器人大臂的侧部设置弹簧储能缸，以改善机器人在工作中电机的实时扭矩过高的情况。

四轴机器人在搬运货物的过程中，针对不同重量的货物，机器人的大臂、小臂、货物重量所形成的重力矩，以及非线性不平衡力矩都会主要积压释放在机器人大臂驱动电机的输出轴上，长久如此会不仅降低机器人运动性能，还会对机器人大臂部的轴电机造成较大损伤，机器人的动载平衡性能也会变差；设置弹簧储能缸是为平衡机器人大小臂及负载对机器人大臂部的轴所产生的力矩，从而降低对机器人大臂部的轴电机力矩的要求，改善机器人整体动载平衡性，最为理想的状态是作用在机器人大臂部的轴上的偏重力矩能够被弹簧储能缸的弹簧平衡力矩完全抵消。但是，现有技术中的弹簧储能缸只能用来平衡一部分力矩，并且是针对单一工况的固定安装使用，不能适应工况的变化，且并不考虑外部组合调节参数对整体性能影响和参数配比的影响，因此，在不同工作环境下，只能通过改变电机或减速器来调节机器人负载能力，这不仅增加使用成本还限制了机器人在不同工作环境下的迁移使用。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法，明确位置参数对大臂峰值扭矩的影响，根据不同的工况调整弹簧储能缸至最优位置，从而提升机器人工作性能，减轻重量扭矩和不平衡扭矩对大臂驱动电机等的损害，改善四轴机器人的受力情况，延长设备使用寿命。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法，所述四轴机器人包括基座、腰身、大臂、小臂和腕部，在机器人大臂的侧部设置有用于提供平衡力矩的弹簧储能缸；本发明方法的特点是：将位于大臂上端的弹簧储能缸上端点设置为可转动的铰接点，将连接在腰部的弹簧储能缸下端点设置为可调结构，所述可调结构是指：在机器人坐标系中，储能缸下端点沿X轴方向距YOZ面的垂直距离f为可调，储能缸下端点沿Z轴方向上距XOY面的垂直距离d为可调；所述机器人坐标系是指：以大臂与腰部的铰接中心为原点O；以大臂驱动电机的输出轴为Y轴，所述Y轴是大臂与腰部之间的铰接轴；以沿大臂竖向中心线、且垂直于Y轴的方向为Z轴；按右手定律确定垂直于YOZ面的方向为X轴；所述弹簧储能缸的缸筒轴线平行于X0Z面；

所述弹簧储能缸的最佳位置配置方法是：

按Kane法建立包含弹簧储能缸的等效支链在内的四轴机器人动力学模型，在所述四轴机器人动力学模型下设置三个位置参数变量，所述三个位置参数变量分别是：储能缸下端点沿X轴方向距YOZ面的垂直距离f、储能缸下端点沿Z轴方向上距XOY面的垂直距离d，以及弹簧储能缸中弹簧初始形变量Δx₀；所述弹簧初始形变量Δx₀是指弹簧预紧状态的形变量；

设定四轴机器人中大臂驱动扭矩峰值τ达到最小、但不低于下限设定值为控制目标，通过萤火虫优化算法，利用Matlab工具计算获得四轴机器人在不同工作轨迹下的弹簧储能缸的最佳位置参数配置。

本发明四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法的特点也在于所述配置方法按如下步骤进行：

步骤1、由式(1)、式(2)和式(3)确定同一工作轨迹各位置参数变量与大臂驱动扭矩之间的关系：

M＝K(Δx₀+Δx₁)·L_f (2)

τ＝τ₂-M (3)

其中：

L_f是由式(1)计算获得的弹簧储能缸的弹簧力臂长度，所述弹簧力臂长度为弹簧储能缸的缸筒轴线与机器人坐标系中Y轴的公垂线长度；

M是弹簧储能缸中弹簧所产生的平衡力矩；K是弹簧储能缸中弹簧的刚度系数；

θ₁为弹簧储能缸的缸筒轴线与机器人坐标系中X0Y面之间的夹角；

为直线PD与机器人坐标系中X0Y平面之间的夹角，所述直线PD中的P端点为弹簧储能缸的下端点，D端点为过弹簧储能缸下端点且垂直于机器人坐标系中Y轴的垂足点；

Δx₁为大臂转动过程中弹簧储能缸中弹簧发生的形变量；

τ₂和τ分别为同一工作轨迹下未加弹簧储能缸时的机器人大臂扭矩，以及加有弹簧储能缸后的机器人大臂扭矩；

步骤b、按式(4)获得设定工作轨迹下大臂驱动扭矩峰值τ_max；

τ_max＝max(τ₂-M) (4)

步骤c、针对给定的各位置参数变量的取值范围，在以不低于设定的大臂驱动扭矩峰值的最小值的条件下获得最小大臂驱动扭矩峰值为优化目标，采用萤火虫优化算法进行优化，从而获得给定工作轨迹下的弹簧储能缸的最佳位置参数；

步骤d、改变运动轨迹，重复步骤a到步骤c，分别获得各不同工作轨迹下的四轴机器人储能缸最佳位置参数。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明根据储能缸下端点沿X轴方向距YOZ面的垂直距离f、储能缸下端点沿Z轴方向上距XOY面的垂直距离d，以及弹簧储能缸中弹簧初始形变量Δx₀三个参数的变化获得弹簧储能缸与机器人大臂驱动扭矩的关系，进而确定最佳的弹簧储能缸位置参数，根据不同工况调整弹簧储能缸至最优位置，大大提升了机器人工作性能，延长储能缸使用寿命。

附图说明

图1为本发明中包含有弹簧储能缸的四轴机器人主视示意图；

图2为本发明中包含有弹簧储能缸的四轴机器人侧视示意图；

图3a为本发明中弹簧储能缸轴测示意图；

图3b为本发明中弹簧储能缸下端点外侧示意图；

图3c为本发明中弹簧储能缸下端点内侧示意图；

图4a为本发明中机器人坐标系的轴测示意图；

图4b为本发明中机器人坐标系中沿X轴所示的Y0Z面示意图；

图4c为本发明中机器人坐标系中沿Y轴所示的X0Z面示意图；

图5为本发明在特定工况下调节前后的大臂驱动扭矩峰值对比图。

图中标号：1小臂，2大臂，3弹簧储能缸，4腰身，5弹簧储能缸下端点，6紧定螺母，7调节杆，8弹簧储能缸上端点，9调节杆固定杆，10紧定螺母，11固定螺栓。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中四轴机器人包括基座，设置在基座上、并可在基座上水平转动的腰身4，大臂2、小臂1和腕部，在机器人的大臂2的侧部设置有用于提供平衡力矩的弹簧储能缸3；如图4a、图4b和图4c所示，本实施例中定义机器人坐标系为：以大臂与腰部的铰接中心为原点；以大臂驱动电机的输出轴为Y轴，Y轴是大臂与腰部之间的铰接轴；以沿大臂竖向中心线、且垂直于Y轴的方向为Z轴；按右手定律确定垂直于YOZ面的方向为X轴；弹簧储能缸的缸筒轴线平行于X0Z面。

如图3a、图3b和图3c所示，本实施例中，本实施例中将位于大臂上端的弹簧储能缸上端点8设置为可转动的铰接点，将连接在腰部的弹簧储能缸下端点5设置为可调结构；图3b和图3c所示，可调结构是指：在机器人腰部上的调节杆固定杆9上利用紧定螺母6固定设置悬伸的调节杆7，调节杆7中设置有长条形通槽，弹簧储能缸下端点5利用紧定螺栓10和固定螺栓11固定在长条形通槽中的设定位置上。可调结构使得储能缸下端点5沿X轴方向距YOZ面的垂直距离f可调整，以及储能缸下端点沿Z轴方向上距XOY面的垂直距离d可调。

本实施例中，可调节弹簧储能缸的最佳位置配置方法是：按Kane法建立包含弹簧储能缸的等效支链在内的四轴机器人动力学模型，在四轴机器人动力学模型下设置三个位置参数变量，三个位置参数变量分别是：储能缸下端点沿X轴方向距YOZ面的垂直距离f、储能缸下端点沿Z轴方向上距XOY面的垂直距离d，以及弹簧储能缸中弹簧初始形变量Δx₀；弹簧初始形变量Δx₀是指弹簧预紧状态的形变量。

设定四轴机器人中大臂驱动扭矩峰值τ达到最小、但不低于下限设定值为控制目标，通过萤火虫优化算法，利用Matlab工具计算获得四轴机器人在不同工作轨迹下的弹簧储能缸的最佳位置参数配置。

具体实施例中，四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法按如下步骤进行：

步骤1、由式(1)、式(2)和式(3)确定同一工作轨迹各位置参数变量与大臂驱动扭矩之间的关系：

M＝K(Δx₀+Δx₁)·L_f (2)

τ＝τ₂-M (3)

其中：

L_f是由式(1)计算获得的弹簧储能缸的弹簧力臂长度，力臂长度为弹簧储能缸的缸筒轴线与机器人坐标系中Y轴的公垂线长度；

M是弹簧储能缸中弹簧所产生的平衡力矩；K是弹簧储能缸中弹簧的刚度系数；

θ₁为弹簧储能缸的缸筒轴线与机器人坐标系中XOY面之间的夹角；

为直线PD与机器人坐标系中X0Y平面之间的夹角，所述直线PD中的P端点为弹簧储能缸的下端点，D端点为过弹簧储能缸下端点且垂直于机器人坐标系中Y轴的垂足点；

Δx₁为大臂转动过程中弹簧储能缸中弹簧发生的形变量；

τ₂和τ分别为同一工作轨迹下未加弹簧储能缸时的机器人大臂扭矩，以及加有弹簧储能缸后的机器人大臂扭矩；

步骤b、按式(4)获得设定工作轨迹下大臂驱动扭矩峰值τ_max；

τ_max＝max(τ₂-M) (4)

步骤c、针对给定的各位置参数变量的取值范围，在以不低于设定的大臂驱动扭矩峰值的最小值的条件下获得最小大臂驱动扭矩峰值为优化目标，采用萤火虫优化算法进行优化，从而获得给定工作轨迹下的弹簧储能缸的最佳位置参数；

步骤d、改变运动轨迹，重复步骤a到步骤c，分别获得各不同工作轨迹下的四轴机器人储能缸最佳位置参数。

具体实施中，按本发明方法获得与实际工况相适应的最佳位置参数，利用可调结构调整弹簧储能缸下端点的位置，以及调整弹簧储能缸内部弹簧的初始形变量Δx₀，图5所示为特定工况下优化前大臂扭矩峰值曲线A与优化后大臂扭矩峰值曲线B示意图，本发明为四轴机器人弹簧储能缸的最佳位置配置提供了依据。

Claims (2)

1.一种四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法，所述四轴机器人包括基座、腰身、大臂、小臂和腕部，在机器人大臂的侧部设置有用于提供平衡力矩的弹簧储能缸；

其特征是：将位于大臂上端的弹簧储能缸上端点设置为可转动的铰接点，将连接在腰部的弹簧储能缸下端点设置为可调结构；所述可调结构是指：在机器人坐标系中，储能缸下端点沿X轴方向距YOZ面的垂直距离f为可调，储能缸下端点沿Z轴方向上距XOY面的垂直距离d为可调；所述机器人坐标系是指：以大臂与腰部的铰接中心为原点O；以大臂驱动电机的输出轴为Y轴，所述Y轴是大臂与腰部之间的铰接轴；以沿大臂竖向中心线、且垂直于Y轴的方向为Z轴；按右手定律确定垂直于YOZ面的方向为X轴；所述弹簧储能缸的缸筒轴线平行于X0Z面；

所述弹簧储能缸的最佳位置配置方法是：

按Kane法建立包含弹簧储能缸的等效支链在内的四轴机器人动力学模型，在所述四轴机器人动力学模型下设置三个位置参数变量，所述三个位置参数变量分别是：储能缸下端点沿X轴方向距YOZ面的垂直距离f、储能缸下端点沿Z轴方向上距XOY面的垂直距离d，以及弹簧储能缸中弹簧初始形变量Δx₀；所述弹簧初始形变量Δx₀是指弹簧预紧状态的形变量；

设定四轴机器人中大臂驱动扭矩峰值τ达到最小、但不低于下限设定值为控制目标，通过萤火虫优化算法，利用Matlab工具计算获得四轴机器人在不同工作轨迹下的弹簧储能缸的最佳位置参数配置。

2.根据权利要求1所述的四轴机器人中弹簧储能缸最佳位置配置方法，其特征是所述配置方法按如下步骤进行：

步骤1、由式(1)、式(2)和式(3)确定同一工作轨迹各位置参数变量与大臂驱动扭矩之间的关系：

M＝K(Δx₀+Δx₁)·L_f (2)

τ＝τ₂-M (3)

其中：

L_f是由式(1)计算获得的弹簧储能缸的弹簧力臂长度，所述弹簧力臂长度为弹簧储能缸的缸筒轴线与机器人坐标系中Y轴的公垂线长度；

M是弹簧储能缸中弹簧所产生的平衡力矩；K是弹簧储能缸中弹簧的刚度系数；

θ₁为弹簧储能缸的缸筒轴线与机器人坐标系中X0Y面之间的夹角；

为直线PD与机器人坐标系中X0Y平面之间的夹角，所述直线PD中的P端点为弹簧储能缸的下端点，D端点为过弹簧储能缸下端点且垂直于机器人坐标系中Y轴的垂足点；

Δx₁为大臂转动过程中弹簧储能缸中弹簧发生的形变量；

τ₂和τ分别为同一工作轨迹下未加弹簧储能缸时的机器人大臂扭矩，以及加有弹簧储能缸后的机器人大臂扭矩；

步骤b、按式(4)获得设定工作轨迹下大臂驱动扭矩峰值τ_max；

τ_max＝max(τ₂-M) (4)

步骤c、针对给定的各位置参数变量的取值范围，在以不低于设定的大臂驱动扭矩峰值的最小值的条件下获得最小大臂驱动扭矩峰值为优化目标，采用萤火虫优化算法进行优化，从而获得给定工作轨迹下的弹簧储能缸的最佳位置参数；

步骤d、改变运动轨迹，重复步骤a到步骤c，分别获得各不同工作轨迹下的四轴机器人储能缸最佳位置参数。