车载机械臂动力学建模与控制方法与流程

本发明涉及车载机械臂技术领域，具体为车载机械臂动力学建模与控制方法。

背景技术：

在世界近现代工业发展史上，机器人叫的发展应用起到了举足轻重的作用，从1959年美国生产出第一台工业机器人至今，机器人技术已经取得了长足的发展和巨大的成果。

国内，目前空间相贯曲线的自动焊接主要有两种形式:一是采用通用的焊接工业机器人,通用工业机器人可以完成空间相贯曲线等复杂曲线的自动焊接任务,但不能用于野外作业。二是采用专用的基于仿形技术的自动半自动焊接专机。近期国内一些研究人员研究了空间相贯曲线靠模焊接控制技术，进行了初步的推广应用。但是由于靠模技术的局限性,当加工不同规格、不同形式的曲线时,必须更换仿形凸轮,每次更换凸轮就必须进行复杂的调整,操作困难，实用性差。因此，设计实用性强和调整简便的车载机械臂动力学建模与控制方法是很有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供车载机械臂动力学建模与控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：车载机械臂动力学建模方法，包括步骤一，运动方程的建立；步骤二，传动系统的建立；所述运动方程的建立包括从重力方程、惯量矩阵、科式矩阵、有效载荷、基座力和动态可操作性六个方面分析各自对运动方程的影响，所述传动系统的建立为用过摩擦力分析对运动方程的影响。

根据上述技术方案，所述运动方程的建立中，首先输入研究的类型，为puma560机器人，此时的机器人处于标准位姿，关节速度以及加速度为0，在这里机器人现在处于静止状态，假设这些力矩的作用为使机器人在重力作用下仍然能够保持平衡，在没有重力的情况下计算力矩，得到一个10×6的矩阵：在机器人处于标准位姿的情况下，关节1以2rad/s的速度转动，其他关节的加速度为0。这个时候关节力矩也不再为0。

根据上述技术方案，上述建立重力方程的影响时，使用gravload方法，在seriallink对象中先将重力加速度设置为地球重力加速度，为了减少关节力矩，把重力改成月球的重力，再将重力改成地球值并设置成右侧朝上，计算手臂竖直向上时的力矩，利用结果估计电机需要的扭矩。

根据上述技术方案，上述建立惯量矩阵的影响时，惯量矩阵是关于机械臂位姿的函数，这个矩阵是一个对称矩阵。在这个矩阵中m11和m22分别表示了机器人的腰关节和肩关节，这两个数值较大是因为这些关节的运动和机械臂的大臂和小臂的运动有关，矩阵中mij＝mji，i≠j，这表示了从关节i的加速度到关节j上的耦合，通过改变机械臂位姿和节2，3角度，得出惯量矩阵中的元素如何让随机器人位形的变化而变化。

根据上述技术方案，所述建立科式矩阵影响时，科式矩阵c表示关节关节坐标和关节速度之间的函数关系，在标准位姿下，机器人身上所有的关节均以1rad/s的速度转动，计算此时的科式矩阵。

根据上述技术方案，所述建立有效载荷影响时，决定最大有效载荷的因素有两个：一是机器人末端的质量增加了机器人关节的转动惯量同时降低了加速度和动态性能；二是机器人末端的质量会增加一个需要关节支撑的重力，这个增加的重力力矩的分量会使关节用于加速的力矩减少从而降低机器人动态性能，puma560机器人的最大有效载荷为2.5公斤，在机器人末端增加一个2.5公斤的重物，并且将有效载荷的质心沿坐标轴z轴方向偏移150毫米，计算标准位姿下的惯量，将其与之前未加载荷时的惯量相比，得出关节上的重力载荷增加的比例系数。

根据上述技术方案，所述建立基座力影响时，运动着的机器人会对基座施加一个力旋量，这个力旋量是通过rne方法的一个可选的参数，被作用到基座上使之保持平衡，计算绕x轴和y轴的力矩。

根据上述技术方案，所述建立动态可操作性的影响时，在标准位姿下，只考虑平移加速度，所以这是一个左上角3×3的矩阵mx，绘制三维椭球，得出该椭圆的半径是矩阵特殊值的平方根，计算最小和最大半径之比。

根据上述技术方案，所述摩擦力分析对运动方程的影响时，以puma560机器人第一根连杆的动态参数，根据库仑摩擦系数、齿轮传动比和粘性摩擦系数，计算静摩擦力矩和动摩擦力矩。

车载机械臂动力学控制方法，包括以下具体步骤：步骤一，正向运动学仿真；步骤二，机器人独立关节控制；步骤三，位置控制环测试；步骤四，刚体动力补偿；步骤五，柔性传动。

根据上述技术方案，上述步骤一中，对列出的微分方程重新排列，得到：这表示关节的加速度，在通过matlab的研究中，利用seriallink对象中的accel方法计算得到关节加速度，这个功能被封装在simulink的robot模块中，接着打开一个puma560机器人在零关节力矩状态下的simulink模型sl_ztorque，运行该仿真，将机器人的运动通过动画的形式表示出来，利用软件绘制出不同时刻关节角度的变化：

上述步骤二中，以puma560的肩关节为例，通过函数：描述电机的动力模型。上述方程的拉普拉斯变换为：

sjω(s)+bω(s)＝kmkau(s)，将上面那个式子变形得到：得到有效惯量：取他的平均值2kg/m2，得到总惯量为372×106kg/m2，使用一个基于实际速度和要求速度误差的控制器，运行这个仿真器，增加一个干扰力矩，重新编辑这个测试其并且重新运行，得到增加干扰力矩的速度环，在simulink模型中，通过设置ki得值来实现，经过尝试发现，增益为1和10时系统的效果是比较好的；

上述步骤三中，位置环负责保持关节的位置，位置环同时为速度环提供速度要求，为了测试位置控制环，同样建立一个测试器，位置需求来自一个lspb轨迹发生器，为了实现在个速度情况下都有较好的跟踪性能，需要通过调整增益来优化控制器，得出kp＝40时控制器的跟踪误差和误差性能，接着观察带前反馈的时间响应曲线，根据图像发现跟踪误差；

上述步骤四中，将关节的关节角度，关节速度，关节加速度，转动惯量和耦合力矩加入控制算法中，主要通过两个方法：前馈控制和计算力矩控制，使用simulink测试这个控制器/首先建立一个对象，载入一个前馈控制器模型，运行这个控制器，可以发现机器人位形的变化十分缓慢；使用simulink首先创建一个对象，然后去除库伦摩擦力，然后加载计算力矩控制器，期望的关节角度和关节速度是由jtraj模块生成的，其参数表示初始和最终的关节角度，运行仿真，得到跟踪误差；

上述步骤五中，利用simulink模型，以简单两杆柔性机械手，测量电机和连杆角度，从而有效地控制该系统。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，

(1)通过分析机器人运动学是研究机器人的重要前提，其中包括机器人相对于固定坐标系运动的几何学，在特定工作环境下对机器人进行动力学分析、轨迹规划和控制机器人的任务执行；根据相邻关节与连杆间的旋转、平移变换可以推导机器人运动学建模的过程，求解运动学的逆。机器人的逆解表明了末端位姿在可达工作空间的运动情况，可以提高效率，更加直观理解关节速度对末端线速度与角速度的影响，采用了matlab中roboticstoolbo的机器人函数，可以进行解的轨迹规划实现最优解，从而得到机器人的位形发生变化时各干扰项对机器人位形变化影响并且提出尽量消除干扰项的方法。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明建立惯量矩阵时重力载荷随机器人位姿变化图；

图2是本发明建立惯量矩阵时关节2和3重力矩随机器人位姿变化图；

图3是本发明动态可操作性的影响时机器人的空间加速椭球图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供技术方案：车载机械臂动力学建模方法，包括步骤一，运动方程的建立；步骤二，传动系统的建立；所述运动方程的建立包括从重力方程、惯量矩阵、科式矩阵、有效载荷、基座力和动态可操作性六个方面分析各自对运动方程的影响，所述传动系统的建立为用过摩擦力分析对运动方程的影响；

运动方程的建立中，首先输入研究的类型，为puma560机器人，此时的机器人处于标准位姿，关节速度以及加速度为0，在这里机器人现在处于静止状态，假设这些力矩的作用为使机器人在重力作用下仍然能够保持平衡，在没有重力的情况下计算力矩，得到一个10×6的矩阵：在机器人处于标准位姿的情况下，关节1以2rad/s的速度转动，其他关节的加速度为0。这个时候关节力矩也不再为0；

上述建立重力方程的影响时，使用gravload方法，在seriallink对象中先将重力加速度设置为地球重力加速度，为了减少关节力矩，把重力改成月球的重力，再将重力改成地球值并设置成右侧朝上，计算手臂竖直向上时的力矩，利用结果估计电机需要的扭矩；

上述建立惯量矩阵的影响时，惯量矩阵是关于机械臂位姿的函数，这个矩阵是一个对称矩阵，在这个矩阵中m11和m22分别表示了机器人的腰关节和肩关节，这两个数值较大是因为这些关节的运动和机械臂的大臂和小臂的运动有关，矩阵中mij＝mji，i≠j，这表示了从关节i的加速度到关节j上的耦合，通过改变机械臂位姿和节2，3角度，得出惯量矩阵中的元素如何让随机器人位形的变化而变化；

建立科式矩阵影响时，科式矩阵c表示关节关节坐标和关节速度之间的函数关系，在标准位姿下，机器人身上所有的关节均以1rad/s的速度转动，计算此时的科式矩阵；

建立有效载荷影响时，决定最大有效载荷的因素有两个：一是机器人末端的质量增加了机器人关节的转动惯量同时降低了加速度和动态性能；二是机器人末端的质量会增加一个需要关节支撑的重力，这个增加的重力力矩的分量会使关节用于加速的力矩减少从而降低机器人动态性能，puma560机器人的最大有效载荷为2.5公斤，在机器人末端增加一个2.5公斤的重物，并且将有效载荷的质心沿坐标轴z轴方向偏移150毫米，计算标准位姿下的惯量，将其与之前未加载荷时的惯量相比，得出关节上的重力载荷增加的比例系数；

建立基座力影响时，运动着的机器人会对基座施加一个力旋量，这个力旋量是通过rne方法的一个可选的参数，被作用到基座上使之保持平衡，计算绕x轴和y轴的力矩；建立动态可操作性的影响时，在标准位姿下，只考虑平移加速度，所以这是一个左上角3×3的矩阵mx，绘制三维椭球，得出该椭圆的半径是矩阵特殊值的平方根，计算最小和最大半径之比；

摩擦力分析对运动方程的影响时，以puma560机器人第一根连杆的动态参数，根据库仑摩擦系数、齿轮传动比和粘性摩擦系数，计算静摩擦力矩和动摩擦力矩；

车载机械臂动力学控制方法，包括以下具体步骤：步骤一，正向运动学仿真；步骤二，机器人独立关节控制；步骤三，位置控制环测试；步骤四，刚体动力补偿；步骤五，柔性传动；

上述步骤一中，对列出的微分方程重新排列，得到：这表示关节的加速度，在通过matlab的研究中，利用seriallink对象中的accel方法计算得到关节加速度，这个功能被封装在simulink的robot模块中，接着打开一个puma560机器人在零关节力矩状态下的simulink模型sl_ztorque，运行该仿真，将机器人的运动通过动画的形式表示出来，利用软件绘制出不同时刻关节角度的变化：

上述步骤二中，以puma560的肩关节为例，通过函数：描述电机的动力模型。上述方程的拉普拉斯变换为：

sjω(s)+bω(s)＝kmkau(s)，将上面那个式子变形得到：得到有效惯量：取他的平均值2kg/m2，得到总惯量为372×106kg/m2，使用一个基于实际速度和要求速度误差的控制器，运行这个仿真器，增加一个干扰力矩，重新编辑这个测试其并且重新运行，得到增加干扰力矩的速度环，在simulink模型中，通过设置ki得值来实现，经过尝试发现，增益为1和10时系统的效果是比较好的；

上述步骤三中，位置环负责保持关节的位置，位置环同时为速度环提供速度要求，为了测试位置控制环，同样建立一个测试器，位置需求来自一个lspb轨迹发生器，为了实现在个速度情况下都有较好的跟踪性能，需要通过调整增益来优化控制器，得出kp＝40时控制器的跟踪误差和误差性能，接着观察带前反馈的时间响应曲线，根据图像发现跟踪误差；

上述步骤四中，将关节的关节角度，关节速度，关节加速度，转动惯量和耦合力矩加入控制算法中，主要通过两个方法：前馈控制和计算力矩控制，使用simulink测试这个控制器/首先建立一个对象，载入一个前馈控制器模型，运行这个控制器，可以发现机器人位形的变化十分缓慢；使用simulink首先创建一个对象，然后去除库伦摩擦力，然后加载计算力矩控制器，期望的关节角度和关节速度是由jtraj模块生成的，其参数表示初始和最终的关节角度，运行仿真，得到跟踪误差；

上述步骤五中，利用simulink模型，以简单两杆柔性机械手，测量电机和连杆角度，从而有效地控制该系统。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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