一种6r型工业机器人负载识别方法

一种6r型工业机器人负载识别方法
【专利摘要】本发明公开了一种6R型工业机器人负载识别方法，首先锁定所有的关节以使6R型工业机器人的结构固定，然后对这种结构中的连杆进行分析，找出力和力矩对于各个连杆坐标系的平衡关系，最后为了保持机器人连杆系统的静态平衡，计算出需要对各关节依次施加多大的力矩，通过这种方法求出为了使末端执行器支承住某个负载所需的一组关节驱动力矩。识别未知负载时，分别在6R型工业机器人空载和附加有未知负载时，利用6R型工业机器人各个关节的伺服电机控制器得到6R型工业机器人的各个关节驱动力矩，进而计算出负载。本发明的优点为：不需要额外附加力和力矩传感器来测量机器人的关节力和关节驱动力矩，并无需预先知道机器人各个连杆的质量和质心等惯性参数。
【专利说明】—种6R型工业机器人负载识别方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人【技术领域】,具体来说,是一种6R型工业机器人负载识别的方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的进步和经济的发展，机器人技术不断进步，工业机器人的应用领域越来越广泛。在工业生产中，工业机器人广泛应用于搬运、焊接、喷漆、装配等领域。当工业机器人作用于不同的负载时，由于机器人驱动装置的输出功率与负载不匹配，不可避免的要引起振动，导致机器人的自身磨损并造成操作误差，降低机器人作业的精确性与安全性。随着工业机器人向着更加轻质结构的方向发展，机器人负载对执行机构所需的驱动力矩的贡献越来越大，对机器人的振动及精度的影响也越来越大，因此有必要实时识别机器人作用的负载，以调整工业机器人的驱动装置的各个参数，控制机器人输出功率与负载的相匹配。
[0003]机器人负载识别就是利用先进的测量手段和基于模型的参数识别方法辨识出机器人所作用的负载的质量，为调整机器人的各项参数与负载匹配做准备。目前对机器人负载识别的研究比较少。Paulm提出了两种在机械臂处于静止状态时确定负载质量的方法，一种方法需要知道关节力矩的信息，另一种方法需要知道腕部的力和力矩的信息。Coiffett2]利用关节力矩传感估计处于静止状态的机器人的负载质量和质心。Mukerjeew和Mukerjee与Ballardtt]利用传感器在动力学的基础上对机械臂负载进行识别，在识别过程中允许进行一般的运动。Olsen与Bekeyt5]假定所有的力和力矩传感都在腕部来识别负载。Christopher G.Atkesonte]在机器人动力学的基础上利用力和力矩传感器分别对机器人进行了动态和静态的负载识别，并且发现静态识别结果优于动态识别的结果。JANSWEVERS和WALTER VERDONCKm基于机器人动力学模型，提出了一种基于周期激励的工业机器人有效载荷的识别方法。虽然上述研究都对机器人负载进行了识别，但这些研究都基于附加额外的力和力矩传感器来测得机器人的关节力和力矩，并且要以识别机器人的动态模型各个参数为先验条件。从实际应用的角度来说，采用附加传感器进行辨识并不是比较好的方法，因为对机器人来说，增加额外的传感器不但成本昂贵，而且会额外增加机器人本身的重量，会对识别造成一定的误差，有时候也是无法实现的。
[0004]参考文献[I] ；Paul, R.P.Robot manipulators:mathematics，programming，andcontrol.Cambridge:MIT Press,1981 ；
[0005]参考文献[2]:Coiffetj P.Robot technology:1nteraction with theenvironment, vol.2.Englewood Cliffs, N.J.:Prentice-Hallj 1983 ；
[0006]参考文献[3]:Mukerjee, A.Adaptation in biological sensory-motorsystems:a model for robotic control.Proc.SPIE Conf.0n Intelligent Robots andComputer Vision, Vol.521.Cambridge, Mass, 1984 ；
[0007]参考文献[4]:Muker jee, A, and Ballard, D.H.Self-calibration in robotmanipulators.Proc.1EEE Conf.Robotics and Automation pp.1050—1057，Mar 1985 ；[0008]参考文献[5]:01sen, H.B., and Bekey, G.A.1dentification of parameters inmodels of robots with rotary joints.Proc.1EEE Conf.Robotics and Automation, pp.1045-1050, Marl985 ；
[0009]参考文献[6]:C.G.Atkeson, C.H.An and J.M.Hollerbach, Estimation ofinertial parameters of manipulator loads and links, Int.J.0f Robotics Research,1986, Vol.5(3), pp.101-119 ；
[0010]参考文献[7]: J.Swevers, ff.VerdonckE, and J.D.Schutter.DynamicMode I Identification for Industrial Robots.1EEE CONTROL SYSTEMSMAGAZINE, pp.58-71，0ctober2007。

【发明内容】

[0011]为了解决上述问题，针对以上情况，本发明从工业生产的实用角度出发，对以6R型工业机器人模型为基础，通过静力学分析，提出了一种6R型工业机器人负载识别方法。
[0012]一种6R型工业机器人负载识别方法，其特征在于:通过下述步骤实现:
[0013]步骤1:根据D-H方法，建立6R型工业机器人的连杆坐标系；
[0014]6R型工业机器人是指全部关节为转动关节的6自由度工业机器人；6R型工业机器人可视为由连杆和关节组成。在6R型工业机器人的连杆中，将固定基座设为连杆0，然后由基座一侧到末端执行器一侧的各个可动连杆按照1、2、3、4、5、6的顺序依次编号，由基座一侧到末端执行器一侧的各个关节也按照1、2、3、4、5、6的顺序进行编号。为了描述每个连杆与相邻连杆之间的相对位置关系，需要在每个连杆上固定一个连杆坐标系，根据连杆坐标系所在的连杆的编号对连杆坐标系命名，因此固定在连杆i上的连杆坐标系为坐标系{i}，坐标系U}为Oi Cxi, Yi, Zi), i=0、l、2、3、4、5、6 ;则根据D-H方法建立连杆坐标系的具体方法如下:
[0015]A、找出各个关节的关节轴，以相邻两个关节轴i与i+Ι的交点，或关节轴i与i+1的公垂线与关节轴i的交点作为连杆坐标系U}的原点Oi, i=l、2、3、4、5 ;连杆坐标系{i}的Zi轴沿关节轴i的指向；当关节轴i与i+Ι的公垂线与关节轴i的交点作为连杆坐标系U}的原点Oi时,连杆坐标系{i}的Xi轴沿关节轴i与i+Ι公垂线的指向；当关节轴i与i+Ι的交点与关节轴i的交点作为连杆坐标系U}的原点Oi时，连杆坐标系{i}的Xi轴垂直于关节轴i与i+Ι所在的平面；连杆坐标系U}的Ii轴则可按照右手原则确定，使Ji =ZiXxi ;而连杆6作为6R型工业机器人的末端连杆，连杆坐标系{6}的原点O6以及X6轴的方向可任意选取；连杆坐标系{6}的Z6轴同样沿关节轴6的指向；连杆坐标系{6}的y6轴是按右手原则确定。
[0016]B、建立固定于6R型工业机器人基座上的连杆坐标系{0}；
[0017]当6R型工业机器人中关节I的关节变量为O时，规定连杆坐标系{0}与连杆坐标系{1}重合；
[0018]步骤2:获得6R型工业机器人中相邻连杆间连杆坐标系{i}相对于连杆坐标系{1-Ι}的齐次变换矩阵；
[0019]连杆坐标系{i}相对于连杆坐标系U-1}的变换，是由绕Xp1旋转α H角、再沿着旋转后坐标系的Xh轴平移ag、再绕平移后的坐标系的Zg轴旋转Θ 1角、最后再沿旋转后的坐标系的Zp1轴平移Cli合成的，i=l、2、3、4、5、6 ;根据步骤I中建立的6R型工业机器人的连杆坐标系，得到6R型工业机器人中相邻连杆坐标系间的齐次变换矩阵为:
【权利要求】
1.一种6R型工业机器人负载识别方法，其特征在于:通过下述步骤实现: 步骤1:根据D-H方法，建立6R型工业机器人的连杆坐标系； 6R型工业机器人是指全部关节为转动关节的6自由度工业机器人；6R型工业机器人可视为由连杆和关节组成。在6R型工业机器人的连杆中，将固定基座设为连杆O，然后由基座一侧到末端执行器一侧的各个可动连杆按照1、2、3、4、5、6的顺序依次编号，由基座一侧到末端执行器一侧的各个关节也按照1、2、3、4、5、6的顺序进行编号。为了描述每个连杆与相邻连杆之间的相对位置关系，需要在每个连杆上固定一个连杆坐标系，根据连杆坐标系所在的连杆的编号对连杆坐标系命名，因此固定在连杆i上的连杆坐标系为坐标系U}，坐标系U}为Oi (XilYilZi), i=0、l、2、3、4、5、6 ;则根据D-H方法建立连杆坐标系的具体方法如下: A、找出各个关节的关节轴，以相邻两个关节轴i与i+Ι的交点，或关节轴i与i+Ι的公垂线与关节轴i的交点作为连杆坐标系U}的原点Oi, i=l、2、3、4、5 ;连杆坐标系{i}的Zi轴沿关节轴i的指向；当关节轴i与i+Ι的公垂线与关节轴i的交点作为连杆坐标系U}的原点Oi时,连杆坐标系{i}的Xi轴沿关节轴i与i+Ι公垂线的指向；当关节轴i与i+Ι的交点与关节轴i的交点作为连杆坐标系U}的原点Oi时，连杆坐标系{i}的Xi轴垂直于关节轴i与i+Ι所在的平面；连杆坐标系U}的Yi轴则可按照右手原则确定，使Yi = ZiXxi;而连杆6作为6R型工业机器人的末端连杆，连杆坐标系{6}的原点O6以及X6轴的方向可任意选取；连杆坐标系{6}的Z6轴同样沿关节轴6的指向；连杆坐标系{6}的y6轴是按右手原则确定。 B、建立固定于6R型工业机器人基座上的连杆坐标系{0}； 当6R型工业机器人中关节I的关节变量为O时，规定连杆坐标系{0}与连杆坐标系{1}重合； 步骤2:获得6R型工业机器人中相邻连杆间连杆坐标系{i}相对于连杆坐标系U-1}的齐次变换矩阵； 连杆坐标系U}相对于连杆坐标系U-1}的变换，是由绕Xp1旋转Qp1角、再沿着旋转后坐标系的Xh轴平移ag、再绕平移后的坐标系的Zg轴旋转Θ 1角、最后再沿旋转后的坐标系的Zp1轴平移Cli合成的，i=l、2、3、4、5、6 ;根据步骤I中建立的6R型工业机器人的连杆坐标系，得到6R型工业机器人中相邻连杆坐标系间的齐次变换矩阵为:
【文档编号】B25J9/16GK103495977SQ201310456167
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】陈友东, 谷平平, 季旭东 申请人:北京航空航天大学