专利名称：一种机器人动力学参数的动静态辨识方法
技术领域：
本发明涉及机器人参数辨识的技术领域，尤其涉及一种用于辨识机器人各连杆动力学参数的动静态分步辨识方法。
背景技术：
机器人控制技术的发展，决定着机器人技术的发展水平。在机器人动力学建模方面，由于实际测量和建模的不准确，加上负载变化、外部干扰以及大量不确定性因素的存在，我们很难得到机器人实际的精确、完整的运动模型。机器人应用范围的扩大以及机器人技术的迅速发展和自动化程度的进一步提高，对机器人的性能提出了更高的要求。首先，在机器人的实际应用中，工作效率和质量是衡量机器人性能的重要指标。提高工业机器人的工作效率，减小实际操作中的运动及动力误差，提高稳定性成为在机器人应用中亟待解决的关键性问题。其次，机器人必须要具有更高度的能动性和灵活性，具有更广阔的可达空间，这就要求有精度相当高的控制算法。动力学模型辨识和系统建模是控制系统设计的基础，准确的模型参数的获得，在一定程度上，能够加快设计进程，提高控制精度。因此建模的准确性也成为各国学者正在研究的问题，并引入了更为先进的、新颖的建模方法，为机器人控制提供了良好的前提。精确的动力学模型是机器人控制及仿真的前提条件，而建立精确的动力学模型需要准确的机器人各连杆动力学参数。机器人在组装完成后，我们一般无法得到真实机械臂的动力学参数，或只能根据机器人各个关节及连杆的个体参数来估算组装后的动力学参数值，显然这种方法的估算结果不能反映机器人整体的动态特性。
发明内容
本发明提出一种机器人操作臂动力学参数的辨识方法，该辨识采用动静态的辨识思路，以克服由于参数的耦合问题无法辨识所有连杆的动力学参数值的难题。本发明在机器人运动学参数已知的情况下，需要提供机器人基座六维力以及各关节的驱动力矩，基座六维力传感器安装于机器人基座与一关节的连接处。所要辨识的动力学参数包括机器人各连杆的质量、质心坐标以及惯性张量。本发明的技术解决方案包括以下几个步骤1)建立机器人动力学参数的静态辨识模型；2)基于最小二乘法求解机械臂各连杆质量与质心坐标乘积；3)建立机器人动力学参数的动态辨识模型；4)令机器人各连杆按照特定的组合方式运动，辨识各连杆的惯性张量以及质心坐标；5)通过第二步和第四步的辨识结果，依次计算得到机器人各连杆的惯性张量、质量以及质心坐标。进一步地
在静态辨识过程中，通过改变机械臂的构型，根据各连杆坐标系间的旋转变换关系构造多维矩阵Q3n>^a(n为机械臂的自由度，a为所变换的机械臂的构型数)，利用基座六维力间接得到机械臂系统的总质量与每组构型的质心坐标，基于最小二乘法的思想辨识各连杆的质量与质心坐标的乘积。进一步地利用静态辨识所得的各连杆的质量与质心坐标的乘积，推导动力学参数解耦形式的机械臂动力学方程，消去待辨识参数的二次方项以及参数的耦合乘积项，使机械臂动力学方程中关节力矩与待辨识参数形成线性的关系；进一步地在动态辨识过程中，首先规划机器人所有关节(关节1至关节η)同时运动，辨识末端连杆η的动力学参数，然后规划机器人关节1至关节η-1同时运动，关节η锁死，将连杆η及连杆η-1整体作为末端连杆，辨识其整体的动力学参数，随即可得连杆η-1的动力学参数，按照同样思路，依次规划关节1至关节i运动，关节i+Ι至关节η锁死，顺序辨识个连杆的动力学参数。本发明的优点在于1)采用静态与动态的分步辨识方法，首先由静态辨识得到机械臂质量与质心坐标的乘积，为动态辨识过程消去待辨识参数的二次方项，降低辨识的复杂度；2)基座六维力/力矩传感器在辨识过程中为静态测量，能够有效降低六维力传感器的动态测量误差；3)连杆的动力学参数辨识结果中包含机械臂关节特性，能够反应机器人实际工作中的惯性参数值。
图1是η自由度的机械臂的模型图；图2是机器人动力学参数动静态辨识流程图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明方法作进一步详细说明。首先参照附图1对后文中出现的符号进行说明。Cn代表机器人第η连杆质心/ρη+1 代表第η+1关节在η坐标系下的坐标，Σ η代表第η关节坐标系，代表坐标系η到坐标系 η +1的旋转变换矩阵，θη0 0 代表第η关节的关节角度、角速度、角加速度，ηωηηαη代表第 η连杆在当前坐标系下的角速度、角加速度，nvnnan代表第η关节在当前坐标系下的线速度、 线加速度，吁 代表在第η坐标系下η-1连杆作用在η连杆上的力，ηηη代表在第η坐标系下 η-1连杆作用在η连杆上的力矩，τ η代表第η关节的驱动力矩，1X代表第η坐标下ζ向单位向量。机器人各连杆质量与质心坐标乘积的静态辨识具有η个自由度的机器人，各连杆质量与质心坐标存在着如下的关系MC = w, ^Rci + m2 \Rc2 + ^3 ^Rc3 + ……+ m "0Rcn(1)其中M为机械臂总质量；C为机械臂系统的质心；
C1C2C3......Cn为各连杆的质心；:r 20R IR……び为各关节坐标系到基坐标系的旋转变换矩阵；本发明所需的六维カ传感器安装于机器人的第一关节与基座之间，则机械臂系统 整体的质量与质心坐标可以通过六维力传感器求得F = -Mg (2)N = FXC若基座所受的六维カ为F6 = [FxFyFzNxNyNJ。则存在如下的关系[NxNtNJ = -Mg [cos a cos ^ cosy] XC (3)Jt ^, |F| - Mg = ^Fx2 + Fy2 + Fz2 , a = arccos (Fx/Mg), 3 = arccos (Fy/Mg), y = arccos (Fz/Mg)。本发明在机器人动力学參数的静态辨识过程中，需要规划机械臂A组构型，规划 的构型组数需要大于机械臂的自由度。毎次变化构型时各关节应随机转动一定角度，以确 保不出现线性相关的问题。则可以构造如下的矩阵方程Y = Q ￥ (4)其中:Y= [MC1MC2MC3......MCaJt ；
1 n 2 D 3 Pn D
0八1 0八1 0八1......0八1Q= A、cA……び2 .
_0八バ 0 0八バ......0尺A _￥ = Im1C1Ya2C2Ya3Co......mncn]。本发明在机器人动力学參数的静态辨识中，利用基座六维カ传感器首先得到系统 整体的质量与质心坐标，通过规划机械臂的构型构造多维矩阵，则机器人各连杆的质量与 质心坐标的乘积的最小ニ乘解为v = [Qt ⑴-1Q-1Y (5)机器人各连杆动力学參数的动态辨识(1)连杆ニ至末端连杆动力学參数的辨识方法本发明在机器人动力学參数的动态辨识过程中，首先需要建立动力学參数解耦形 式的机械臂动力学方程。机器人各连杆的力及力矩按照公式(6)的式逆向传递，对于末端 连杆，由于㈣し及11+1!^均为零，则末端连杆的力及力矩关系可简化公式(7)的形式。联 立公式(6)、(7)，合并连杆的质量与质心坐标的乘积项，将其记为mcn，整理后可得公式(8)。'I =+ 'L'n, = ,メ'+| + 'ncl + Vcv x '/ + '^l x ド；/T1 ム(6)Ti=' Hi ‘ ZiX = nnn+nrcnXnfcn(7)nnn-mcnXnan = cnInna n+nconX (cnInnCon)+mcnX (nQnXcn) (8)+mcnX (nGJnX (nGJnXcn))将公式(8)进ー步化筒，可得到公式(9)所示的矩阵方程的形式。N = H* O+K ‘ T(9)其中①=[Ixx,Iyy, Izz, Ixy, Ixz, IJt ； r = [cix, ciy，CiJ10
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本发明在动态辨识中，首先令机器人关节1至关节η运动，在各关节的运动时间内提取B(B ^ 9)组时刻的数据作为采样样本，包括各关节的驱动力矩、各关节的速度以及加速度。机器人关节驱动力矩τ为关节力矩ζ方向分量，提取矩阵方程(9)第三行，采用伪逆法辨识得到末端连杆动力学参数。[Φ Γ ]T = [H(B)E(B)]+· N(B) (10)本发明在动态辨识中，获得末端连杆动力学参数辨识后，将末端连杆与次末端连杆整体作为待辨识的对象，辨识过程与上述方法相同，然后根据动力学参数的坐标系间转换关系获得次末端机械臂的动力学参数。以此依次递推至第二连杆，完成机器人第二连杆至末端连杆的动力学参数的辨识。(2)连杆一动力学参数的辨识本发明在动态辨识中，由于机器人第一连杆为绕关节一轴线的旋转运动，因此其只存在自身坐标系ζ向的速度以及加速度。考虑到连杆一运动的特殊性，需要对其动力学参数辨识的方法进行单独的分析。连杆一在运动的过程中，关节一所受的力矩与连杆惯性张量中的三个参数(Ilxx、Ilyy、Ilxy)没有任何运算关系，因此连杆一的上述三个惯性张量均属于无法辨识的动力学参数。令机器人一关节运动，则根据牛顿欧拉动力学方程可知一关节的力矩表示如公式(11)所示
权利要求
1.一种机器人动力学参数的动静态辨识方法，其特征在于，所述方法通过动静态的分步辨识过程，解决机械臂动力学模型中参数耦合的问题，通过静态辨识首先辨识操作臂各连杆的质量与质心坐标的乘积，避免在动态辨识的过程中出现待辨识参数的二次方项以及参数的耦合乘积项，使机械臂动力学方程中关节力矩与待辨识参数形成线性的关系。
2.如权利要求1所述的机器人动力学参数的动静态辨识方法，其特征在于，在静态的辨识过程中，通过规划机械臂的多组构型构造多维矩阵，利用基座六维力间接得到机械臂系统的总质量与每组构型的质心坐标，基于最小二乘法的思想辨识机械臂各连杆的质量与质心坐标的乘积。
3.如权利要求1所述的机器人动力学参数的动静态辨识方法，其特征在于，在动态辨识过程中，首先规划机器人所有关节(关节1至关节η)同时运动，辨识末端连杆η的动力学参数，然后规划机器人关节1至关节η-1同时运动，关节η锁死，将连杆η及连杆η_1整体作为末端连杆，辨识其整体的动力学参数，随即可得连杆n-1的动力学参数，按照同样思路，依次规划关节1至关节i运动，关节i+Ι至关节η锁死，顺序辨识各连杆的动力学参数。
全文摘要
本发明是一种机器人动力学参数辨识的动静态辨识方法，该方法需要提供机器人基座六维力、各个关节的驱动力矩、角速度以及角加速度。在静态辨识中，通过变换机械臂的构型，利用机器人各连杆坐标系间的旋转变换关系构造多维矩阵，建立静态辨识模型，采用最小二乘法求解各连杆质量与质心坐标的乘积。利用静态辨识结果，基于牛顿-欧拉算法推导动力学参数解耦形式的机械臂动力学方程。在动态辨识中，规划各关节按照特定的组合方式运动，采用伪逆法依次辨识末端连杆至连杆一的惯性张量以及质心坐标，继而完成机器人动力学参数的全辨识。本发明的参数辨识结果中包含机械臂关节特性，能够反应机器人实际工作中的惯性参数值。
文档编号B25J13/00GK102320043SQ20111015114
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月7日 优先权日2011年6月7日
发明者孙汉旭, 张岩, 朱宁宁, 贾庆轩, 陈钢 申请人:北京邮电大学