一种确定机器人关节最大加速度和最大速度的方法与流程

2021-01-19 13:01:16|

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本发明涉及工业机器人技术领域，尤其是一种确定机器人关节最大加速度和最大速度的方法。

背景技术：

在工业机器人的实际应用场合，客户为了追求最高的工作效率，一味提高机器人各个关节的工作速度以及加速度，从而导致在某些工况下因超出电机的工作力矩或者伺服的工作极限导致伺服报警，停止工作。

这样不仅没有起到提高工作效率的作用，而且对电机，伺服，减速机，连杆等部件都存在潜在的损坏风险，而且机器人的停机动作也会对机器人存在较大的冲击，从而导致机器进一步损坏。在现有技术中一般是在发生报警后现场技术人员才会降低机器人各个关节的加速度和加速度，但降低多少是没有依据的，带有随意和试凑的性质。

传统的设置加速度的方法具有“后知后觉”的特性，在试凑的过程中不仅仅对系统中的各个部件，尤其是减速机，电机等脆弱部件存在较大冲击，会严重影响这些部件的寿命。而且试凑过程没有理论依据，这些值一定不是最优的，当满足现场应用无警报的时候，其实效率也往往不是最优。

技术实现要素：

本发明专利提出了一种确定机器人关节最大加速度和最大速度的方法，以期解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种确定机器人关节最大加速度和最大速度的方法，包括以下步骤：

步骤1：设置n个关节电机的最高转速；

步骤2：设置n个关节允许的最大力矩限制；

步骤3：设置n个关节的离心力矩和科氏力矩之和在关节力矩中的占比；

步骤4：设置n个关节的惯性力矩在关节力矩中的占比；

步骤5：在机器人允许的工作空间内，使用仿真软件采用随机分布的方式任意设定机器人末端的起点和终点，设定的这些起点和终点位置应能均匀分布在整个机器人的工作空间；根据起点和终点，采用直线插补方式生成末端的位置轨迹，采用球面插补方式生成末端的姿态轨迹；根据机器人末端位置和姿态轨迹，通过运动学反解得到n个关节的运动轨迹；

步骤6：根据n个关节的运动轨迹以及机器人的dh参数得到重力矩，惯性力矩参数集，离心力矩和科氏力矩参数集；

步骤7：设置n个关节加速度，各个连杆质量设置为0，关节速度为，将关节速度和关节加速度带入式1分别得到n个关节的关节力矩；即关节的离心力矩和科氏力矩之和；

（式1）

式1中为惯性力矩参数集，为离心力矩和科氏力矩参数集，为重力矩，为关节加速度，为关节速度，t为关节力矩；

步骤8：判断第一个关节的离心力矩和科氏力矩之和是否小于，如果小于，增大第一个关节的速度为原速度的1.1倍，如果大于等于，减小1轴速度为原速度的0.9倍，跳转到步骤7重新计算离心力矩和科氏力矩之和，直到第一个关节的离心力矩和科氏力矩之和满足，此时记录本次的速度为第一关节的最大速度；并依次算出n个关节的最大速度；

步骤9：设置n个关节速度为，各个连杆质量设置为0，关节加速度为，将关节速度和加速度带入式1分别得到n个关节的惯性力矩；即关节的惯性力矩；

步骤10：判断第一个关节的惯性力矩是否小于，如果小于，增大第一个关节的加速度为原加速度的1.1倍，如果大于等于，减小第一个关节的速度为原速度的0.9倍，跳转到步骤9重新计算惯性力矩，直到第一个关节的惯性力矩满足，此时记录本次的加速度为第一个关节的最大加速度；并依次算出n个关节的最大加速度；

步骤11：将步骤8得到的n个关节的最大速度和步骤10得到的n个关节的最大加速度带入得到第一个关节的合力力矩，判断第一个关节的合力力矩是否小于，如果小于，增大第一个关节的离心力矩和科氏力矩之和占比和惯性力矩占比为原占比的1.1倍，如果大于等于，减小第一个关节的离心力矩和科氏力矩之和占比和惯性力矩占比为原占比的0.9倍，跳转到步骤7重新计算，直到第一个关节的合力力矩大于等于小于等于，此时记录下本次迭代的和；并依次算出n个关节的和；

步骤12：将关节电机的最高转速带入式2计算得到因为关节电机最高转速限制关节能达到的最高转速；

(式2)

式中为关节速度，g为减速比，为关节电机转速；

步骤13：判断步骤8得到最大速度是否大于，如果大于，令，依照步骤13的判断方法，依次得到新的关节最大速度。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

本发明提出分别带入关节速度和加速度根据机器人动力学分别计算各个关节的离心力矩和科氏力矩之和，惯性力矩。在保证各个关节的离心力矩和科氏力矩之和和惯性力矩都不超过该关节允许最大力矩一定的比例的前提下，再综合验证各种运动轨迹下该关节的离心力矩和科氏力矩之和，惯性力矩，重力力矩之和是否超过该关节的最大力矩。如此迭代反复计算最终得到在保证关节所受力矩不超过关节允许最大力矩，但离心力矩和科氏力矩之和和科氏力矩占比分量都已经最大的情况下得到该关节的允许最大加速度和最大速度。这样计算得到的最大速度和最大加速度才是合理的参数，能保证该机器人可靠高效的工作，提高了机器人的使用寿命，也减少了因为参数设置超限导致的报警停机，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明的一种确定机器人关节最大加速度和最大速度的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1:

如图1所示，一种确定机器人关节最大加速度和最大速度的方法，包括以下步骤：

步骤1：设置n个关节电机的最高转速；一般情况下n≥4。

步骤2：设置n个关节允许的最大力矩限制；

步骤3：设置n个关节的离心力矩和科氏力矩之和在关节力矩中的占比；

步骤4：设置n个关节的惯性力矩在关节力矩中的占比；

步骤5：在机器人允许的工作空间内，使用仿真软件采用随机分布的方式任意设定机器人末端的起点和终点，设定的这些起点和终点位置应能均匀分布在整个机器人的工作空间。根据起点和终点，采用直线插补方式生成末端的位置轨迹，采用球面插补方式生成末端的姿态轨迹。根据机器人末端位置和姿态轨迹，通过运动学反解得到n个关节的运动轨迹；

步骤6：根据n个关节的运动轨迹以及机器人的dh参数得到重力矩，惯性力矩参数集，离心力矩和科氏力矩参数集；

步骤7：设置n个关节加速度，各个连杆质量设置为0，关节速度为，将关节速度和关节加速度以及步骤6得到的重力矩，惯性力矩参数集，离心力矩和科氏力矩参数集一起带入式1分别得到n个关节的关节力矩；因为该处关节加速度设置为0所以惯性力矩项为0，连杆质量设置为0，所以重力矩项为0，因此计算出来的关节力矩仅仅包含了离心力矩和科氏力矩之和，即关节的离心力矩和科氏力矩之和；

（式1）

式1中为惯性力矩参数集，为离心力矩和科氏力矩参数集，为重力矩，为关节加速度，为关节速度，t为关节力矩；其中，和表示的均是关节加速度的意思，和表示的均是关节速度的意思。

步骤9：设置n个关节速度为，各个连杆质量设置为0，关节加速度为，将关节速度和加速度以及步骤6得到的重力矩，惯性力矩参数集，离心力矩和科氏力矩参数集一起带入式1分别得到n个关节的惯性力矩因为该处关节速度设置为0所以离心力矩和科氏力矩之和项为0，连杆质量设置为0，所以重力矩项为0，因此计算出来的关节力矩仅仅包含了惯性力矩，即关节的惯性力矩；

步骤11：将步骤8得到的n个关节的最大速度和步骤10得到的n个关节的最大加速度带入得到第一个关节的合力力矩，判断第一个关节的合力力矩是否小于，如果小于，增大第一个关节的离心力矩和科氏力矩之和占比和惯性力矩占比为原占比的1.1倍，如果大于等于，减小第一个关节的离心力矩和科氏力矩之和占比和惯性力矩占比为原占比的0.9倍，跳转到步骤6重新计算，直到第一个关节的合力力矩大于等于小于等于，此时记录下本次迭代的和；并依次算出n个关节的和；

步骤12：将关节电机的最高转速带入式2计算得到因为关节电机最高转速限制关节能达到的最高转速；

(式2)

式中为关节速度，g为减速比，为关节电机转速；

步骤13：判断步骤8得到最大速度是否大于，如果大于，令，否则步骤8得到最大速度就是最大值，保持不变。依照步骤13的判断方法，依次得到新的关节最大速度。

经过上面一系列的校核方法得到了机器人关节的最大速度以及最大加速度。

传统的设置加速度的方法具有“后知后觉”的特性，在试凑的过程中不仅仅对系统中的各个部件，尤其是减速机，电机等脆弱部件存在较大冲击，会严重影响这些部件的寿命。而且试凑过程没有理论依据，这些值一定不是最优的，当满足现场应用无警报的时候，其实效率也往往不是最优。针对这些问题本发明提出分别带入关节速度和加速度根据机器人动力学分别计算各个关节的离心力矩和科氏力矩之和，惯性力矩。在保证各个关节的离心力矩和科氏力矩之和和惯性力矩都不超过该关节允许最大力矩一定的比例的前提下，再综合验证各种运动轨迹下该关节的离心力矩和科氏力矩之和，惯性力矩，重力矩之和是否超过该关节的最大力矩。如此迭代反复计算最终得到在保证关节承受力矩不超过关节允许最大力矩，但惯性力矩和离心力矩和科氏力矩之和占比分量都已经最大的情况下得到该关节的允许最大加速度和最大速度。这样计算得到的最大速度和最大加速度才是合理的参数，能保证该机器人可靠高效的工作。

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。

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