CN114393603A - 串联型机械臂驱动器模块选型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种串联型机械臂驱动器模块选型的方法，基于任务需求，将机械臂的所有关节按照不同的任务需求划分为不同的部分，对每个部分配置不同规格的电机和减速器，电机和减速器随机组合成多种规格驱动器模块；每个部分中，多种规格的驱动器模块按照该部分关节的数量进行排列组合，形成机械臂的每个部分；形成每个部分的驱动器模块进行排列组合，作为每个部分的组合库；将不同部分的组合库中的驱动器模块进行排列组合，形成完整的机械臂；机械臂不同部分的驱动器模块进行排列组合，作为机械臂组合库；通过预设参数进行多层筛选和动力学分析，最终得到最优的驱动器模块组合。本发明能有效提高关节驱动器的使用效率，并减小机械臂的重量。
Description
技术领域
本发明属于机器人驱动技术领域，具体涉及一种串联型机械臂驱动器模块选型的方法。
背景技术
机械臂目前广泛应用于工业生产、生活服务、医疗以及特种领域，尤其是仿人机器人的兴起，更是大大拓宽了机械臂的应用场景。机械臂关节驱动器的选型是机械臂设计中的重要一环，决定了机械臂的性能。
对于有执行特定任务的串联型机械臂，其结构形式及连杆尺寸确定后，影响其工作性能的因素主要是驱动器的配置，表现在机械臂的运动速度和负载。在实际使用中，往往出现机械臂的某些关节驱动器的性能不能满足任务需求而无法执行任务，而某些关节的性能超出任务需求造成浪费，或者机械臂的关节重量配置不合理，导致机械臂在克服自身惯性上消耗过高的能量。这些问题都是源于机械臂设计期间未能对驱动器进行正确选型导致。对于执行带负载任务且有运动速度需求的机械臂，静态的受力计算往往无法真实地得到机械臂的性能需求数据，需要进行动力学的分析，在动力学分析中，因为机械臂的的重量主要来源于关节驱动器，当处于远端的关节选用不同型号的驱动器时，因为其质量的不同，会造成近端关节驱动器的受力发生改变，因而影响近端关节驱动器的选型。目前机械臂驱动器的选型方法中，往往只使用静态分析，无法准确对任务需求进行仿真，或者采用动力学分析，但是选型效率低。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种串联型机械臂驱动器模块选型的方法，在保证驱动器的输出力矩和输出转速均满足使用需求的基础上，减小机械臂的重量，有效地提高关节驱动器的使用效率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
串联型机械臂驱动器模块选型的方法，具体为：
依据任务需求，将机械臂划分为t个部分，其中1≤t≤n，n为机械臂的自由度；
对每个部分预先评估性能需求并配置多种电机和减速器，再将电机和减速器进行排列组合，形成多种规格的驱动器模块；
每个部分中，多种规格的驱动器模块按照该部分关节的数量进行排列组合，形成机械臂的每个部分；形成每个部分的驱动器模块进行排列组合，作为每个部分的组合库；
将t个部分的组合库中的驱动器模块组合再进行排列组合，形成完整的机械臂；组成整臂的所有的驱动器模块组合作为机械臂的组合库；
将所述机械臂的组合库中总重量超出机械臂总重量限制、输出力矩或输出转速小于仿真结果的机械臂组合排除；
选择组合成机械臂目标参数值最小的驱动器模块作为机械臂最终的设计依据。
进一步地，所述每个部分的驱动器模块中，将输出力矩和输出转速超出减速器自身承受的转速和力矩的驱动器模块排除。
进一步地，所述输出力矩或输出转速小于仿真结果的机械臂组合排除，具体为：
根据机械臂组合库中某一个组合的机械臂的驱动器模块、连杆的重量和转动惯量及任务需求，进行逆动力学仿真，得到在执行任务期间各个关节驱动器模块的输出力矩需求(σ1,σ2…σn)和输出转速需求(ε1,ε2…εn)；
将机械臂组合库中某一个组合的机械臂驱动器模块的输出力矩(τ1,τ2…τn)和输出转速(ω1,ω2…ωn)分别与仿真结果中各个关节驱动器模块的输出力矩需求、输出转速需求对比，如果驱动器模块的输出力矩或输出转速小于仿真结果，则将该机械臂组合排除。
更进一步地，所述连杆的重量和转动惯量根据机械臂的结构形式和连杆尺寸进行预设。
更进一步地，所述驱动器模块的输出力矩(τ1,τ2…τn)和输出转速(ω1,ω2…ωn)是根据电机和减速器的规格、安装方式以及预设参数进行设置的。
进一步地，所述目标参数值的计算公式为：min||Wmφ||2+||Wσψ||2+||Wωγ||2，其中：向量
Wm是2*2的对角矩阵，m为机械臂组合库中某一个组合的机械臂总重量，mi代表第i个部分的重量；向量ψ＝[σ1/τ1,σ2/τ2,…σn/τn]T，Wσ是n*n的对角矩阵；向量γ＝[ω1/ε1,ω2/ε2,…ωn/εn]T，Wω是n*n的对角矩阵。
进一步地，所述任务需求包括机械臂运动轨迹以及运动轨迹中的速度和负载情况。
进一步地，所述预先评估性能需求，包括获取关节力矩的需求范围和关节转速的需求范围。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中驱动器模块选型方法是基于任务需求，将机械臂的所有关节按照不同的任务需求划分为不同的部分，对每个部分配置不同规格的电机和减速器，电机和减速器随机组合成多种规格驱动器模块；通过预设参数进行多层筛选和动力学分析，最终得到最优的驱动器模块组合，形成完整的机械臂，动力学分析过程中通过计算目标参数获得最优结果作为选型依据，使用目标参数值筛选的最优组合，能有效地提高关节驱动器的使用效率。
(2)本发明的多层筛选包括根据多种规格驱动器模块、连杆的重量和转动惯量及满足任务需求的机械臂运动轨迹、运动速度和负载情况，进行逆动力学仿真，得到在执行任务期间各个关节驱动器模块的输出力矩需求和输出转速需求，且驱动器模块的输出力矩和输出转速分别与仿真结果的输出力矩需求、输出转速需求对比；本发明考虑了关节驱动器模块的速度需求，可以保证选择的驱动器模块性能更全面的满足任务需求。
(3)本发明在计算目标参数值时，机械臂远端的关节重量作为目标参数值的一项，由于最终目标参数值最小的驱动器模块的组合作为机械臂最终的设计依据，所以保证机械臂远端的关节重量最小，使得机械臂可获得更优的动态性能。
(4)本发明在计算目标参数值时，基于对角矩阵进行设置权重，对不同关节的力矩和速度进行更准确的设置和筛选。
附图说明
图1为本发明所述串联型机械臂驱动模块选型的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明针对的是多自由度串联型机械臂，当机械臂的结构形式和连杆尺寸确定之后，需要对关节驱动器进行选型，选型中主要考虑驱动器的主要性能包括输出力矩和输出转速。
对于具有n个自由度的机械臂，本发明中驱动器选型方法是基于设计需求，预设机械臂的任务和机械臂总重量限制，根据机械臂的结构形式和连杆尺寸预设连杆的重量和转动惯量；依据任务需求，将机械臂的所有关节按照不同的任务需求划分为不同的部分，对每个部分预先评估性能需求并配置多种电机和减速器，并将电机和减速器进行排列组合，形成多种规格的驱动器模块；根据电机和减速器的规格以及安装方式预设驱动器模块的重量、转动惯量、输出力矩和输出转速，将多种规格驱动器模块进行排列组合，形成机械臂的每个部分，最后将机械臂的每个部分的关节排列组合，形成完整的机械臂。选型过程中通过条件筛选以及计算目标参数获得最优的驱动器模块组合，并作为最终的设计依据。如图1所示，具体过程如下：
(1)根据设计需求预设机械臂的任务需求，包括机械臂执行器的运动轨迹和轨迹中的运动速度与负载情况；
(2)根据设计需求，预设机械臂总重量限制mmax；
(3)根据机械臂的结构形式和连杆尺寸，预设机械臂连杆的重量和转动惯量；
(4)依据任务需求，将机械臂中任务需求相近的关节划分为一个部分，将机械臂划分为t(1≤t≤n)个部分；
(5)依据任务需求，预估每部分对驱动器模块的性能需求(经过静态计算，获取关节力矩的需求范围，根据机械臂的结构形式和连杆尺寸，通过逆运动学获取关节转速的需求范围)，根据预估结果对每个部分预配置多种型号的电机和减速器；根据每种电机和减速器均根据自身的特性(包括工作效率)，预设对应的参数：重量、转动惯量、输出转矩和输出转速；
(6)将每部分的电机和减速器进行排列组合，形成多种规格的驱动器模块；根据组成驱动器模块的电机和减速器的预设参数，计算并预设驱动器模块的重量、转动惯量、输出力矩和输出转速；
(7)每个部分的驱动器模块中，将驱动器模块的输出力矩和输出转速超出减速器自身可承受的转速和力矩的驱动器模块排除；
(8)每个部分中，多种规格的驱动器模块按照该部分关节的数量进行排列组合，形成机械臂的每个部分；形成每个部分的驱动器模块进行排列组合，作为每个部分的组合库；
(9)将t个部分的组合库中的驱动器模块组合再次进行排列组合(不改变每个部分在机械臂中的位置)，形成完整的机械臂；组成完整的机械臂所有的驱动器模块组合作为机械臂的组合库；
(10)机械臂组合库中某一个组合的机械臂的每部分重量从近端至远端分别为m1,m2…mm，判断当前组合的机械臂总重量m是否超出机械臂的总重量限制mmax，如果超出，则将该机械臂组合排除并返回机械臂的组合库选取下一个组合，如未超出，则使用该组合的机械臂配置仿真执行预设的任务；
(11)根据机械臂组合库中某一个组合的机械臂的驱动器模块、连杆的重量和转动惯量及满足任务需求的机械臂运动轨迹、运动速度和负载情况，进行逆动力学仿真，得到在执行任务期间各个关节驱动器模块的输出力矩需求(σ1,σ2…σn)和输出转速需求(ε1,ε2…εn)；
(12)将机械臂组合库中某一个组合的机械臂驱动器模块的输出力矩(τ1,τ2…τn)和输出转速(ω1,ω2…ωn)(即预设值)分别与仿真结果中各个关节驱动器模块的输出力矩需求、输出转速需求对比，如果该组合中出现任意一种规格的驱动器模块的输出力矩或输出转速小于仿真结果，则将该驱动器模块组合的机械臂排除，并返回机械臂的组合库选取下一个组合，如果该驱动器模块组合中所有的驱动器模块的输出力矩或输出转速大于等于仿真结果，则计算该驱动器模块组合的机械臂的目标参数值；
目标参数值的表达式为：min||Wmφ||2+||Wσψ||2+||Wωγ||2；其中向量
(t≥2)，Wm是2*2的对角矩阵，目的是控制手臂的总重量以及手臂远端驱动模块的重量，mi代表第i个部分的重量，i的数值越大，代表关节距离机械臂固定位置的位置越远，当t＝1时，mi可表示第i个关节的重量；向量ψ＝[σ1/τ1,σ2/τ2,…σn/τn]T，Wσ是n*n的对角矩阵，目的是控制每个驱动器模块的输出力矩与任务需求的输出力矩之间的裕度；向量γ＝[ω1/ε1,ω2/ε2,…ωn/εn]T，Wω是n*n的对角矩阵，目的是控制每个驱动器模块的输出转速与任务需求的输出转速之间的裕度；目标参数值的作用是按照需求减小手臂的总重量尤其是远端驱动器模块的重量，同时根据需求提高各关节在满足使用需求前提下的使用效率；
(13)使用(11)、(12)计算机械臂组合库中所有的驱动器模块组合，选择目标参数值最小的驱动器模块的组合作为机械臂最终的设计依据。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.串联型机械臂驱动器模块选型的方法，其特征在于：
依据任务需求，将机械臂划分为t个部分，其中1≤t≤n，n为机械臂的自由度；
对每个部分预先评估性能需求并配置多种电机和减速器，再将电机和减速器进行排列组合，形成多种规格的驱动器模块；
每个部分中，多种规格的驱动器模块按照该部分关节的数量进行排列组合，形成机械臂的每个部分；形成每个部分的驱动器模块进行排列组合，作为每个部分的组合库；
将t个部分的组合库中的驱动器模块组合再进行排列组合，形成完整的机械臂；组成整臂的所有的驱动器模块组合作为机械臂的组合库；
将所述机械臂的组合库中总重量超出机械臂总重量限制mmax、输出力矩或输出转速小于仿真结果的机械臂组合排除；
选择组合成机械臂目标参数值最小的驱动器模块作为机械臂最终的设计依据。
2.根据权利要求1所述的串联型机械臂驱动器模块选型的方法，其特征在于，所述每个部分的驱动器模块中，将输出力矩和输出转速超出减速器自身承受的转速和力矩的驱动器模块排除。
3.根据权利要求1所述的串联型机械臂驱动器模块选型的方法，其特征在于，所述输出力矩或输出转速小于仿真结果的机械臂组合排除，具体为：
根据机械臂组合库中某一个组合的机械臂的驱动器模块、连杆的重量和转动惯量及任务需求，进行逆动力学仿真，得到在执行任务期间各个关节驱动器模块的输出力矩需求(σ1,σ2…σn)和输出转速需求(ε1,ε2…εn)；
将机械臂组合库中某一个组合的机械臂驱动器模块的输出力矩(τ1,τ2…τn)和输出转速(ω1,ω2…ωn)分别与仿真结果中各个关节驱动器模块的输出力矩需求、输出转速需求对比，如果驱动器模块的输出力矩或输出转速小于仿真结果，则将该机械臂组合排除。
4.根据权利要求3所述的串联型机械臂驱动器模块选型的方法，其特征在于，所述连杆的重量和转动惯量根据机械臂的结构形式和连杆尺寸进行预设。
5.根据权利要求3所述的串联型机械臂驱动器模块选型的方法，其特征在于，所述驱动器模块的输出力矩(τ1,τ2…τn)和输出转速(ω1,ω2…ωn)是根据电机和减速器的规格、安装方式以及预设参数进行设置的。
6.根据权利要求1所述的串联型机械臂驱动器模块选型的方法，其特征在于，所述目标参数值的计算公式为：min||Wmφ||2+||Wσψ||2+||Wωγ||2，其中：向量
Wm是2*2的对角矩阵，m为机械臂组合库中某一个组合的机械臂总重量，mi代表第i个部分的重量；向量ψ＝[σ1/τ1,σ2/τ2,…σn/τn]T，Wσ是n*n的对角矩阵；向量γ＝[ω1/ε1,ω2/ε2,…ωn/εn]T，Wω是n*n的对角矩阵。
7.根据权利要求1所述的串联型机械臂驱动器模块选型的方法，其特征在于，所述任务需求包括机械臂运动轨迹以及运动轨迹中的速度和负载情况。
8.根据权利要求1所述的串联型机械臂驱动器模块选型的方法，其特征在于，所述预先评估性能需求，包括获取关节力矩的需求范围和关节转速的需求范围。
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