[发明专利]一种高速重载机器人动态变形计算方法

说明书

本发明涉及一种高速重载机器人动态变形计算方法，根据机器人本体设计特征，在机器人基座处建立基坐标系，在机器人各关节处建立机器人关节坐标系，获取各关节处D‑H参数；计算末端装置的运动学方程，获取机器人的末端位姿，依次进行角速度与角加速度递推以及依次进行速度和加速度递推，计算各连杆在基坐标系下的运动状态；求解各连杆所受惯性力与惯性力矩；建立机器人有限元模型；求出机器人总的动态变形、应力及应变。本发明将机器人的动力学模型运用到有限元模型中，分析了由机器人自重、负载及各项惯性力与惯性力矩引起的变形情况，研究了末端点变形的各项影响因素，为机器人的造型设计、参数优化提供了依据。

技术领域

本发明涉及高速重载机器人领域，具体地说是高速重载机器人动态变形计算方法。

背景技术

高速重载机器人被定义为其末端载荷为100kg以上，末端运行的线速度最大值在1m/s以上的工业机器人，广泛应用于汽车的喷涂、焊接，物流的搬运、堆垛以及重型制造业的自动化生产等行业。高速重载机器人因作业环境和任务的需要，具有高速重载、高刚度、高平稳性、体积重量大等特点。除了由末端负载和机器人自重引起的静变形外，机器人运行过程中的惯性力和惯性力矩也会引起机器人的变形，由此将会带来末端轨迹偏移、机器人振动、零件受损、精度下降等一系列问题。

为解决上述问题，很有必要建立对机器人动态变形的评估计算方法，以便为机器人的结构设计和运动控制提供依据。在实际工程应用中，常将计算问题简化，采用弹性有限元方法分析静变形，再通过类比法估计机器人处于运动状态下的变形[Zienkiewicz OC.The Finite Elements Methods Third Edition[M].New York：McGraw-Hill，inc.1977]。然而随着对工业机器人运动特性的要求不断提高，惯性力的影响已经不可忽视，现有的计算方法通常利用整机柔度矩阵来计算机器人的末端变形[D.A.Fresonke,E.Hernandez,and D.Tesar.Deflection Predictions for Serial Manipulators[C]//IEEE Conference on Robotics and Automation.Philadelphia,PA:IEEE,1993:pp482-487]，但这种方法没有考虑机器人静态时连杆变形对柔性矩阵的影响，建立的柔度矩阵通常也只能计算末端点变形。在整机动态变形计算方面，一直没有对各关节运动耦合对末端造成的影响作出解释，也没有分析机器人运动过程中的每一项力对总变形造成的影响。如果计算方法与参数设计不当，很容易对机器人的使用产生不良影响，反之，则可以对机器人的设计、制造与使用起到参考意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高速重载机器人动态变形计算方法，目的在于针对高速重载机器人在工作过程中的动态变形大大超出静变形，容易造成机器人振动幅度过大、末端轨迹偏移等问题，。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种高速重载机器人动态变形计算方法，包括以下步骤：

步骤1：根据机器人本体设计特征，在机器人基座处建立基坐标系{0}，在机器人各关节处建立机器人关节坐标系，获取各关节处D-H参数；

步骤2：计算末端装置的运动学方程，获取机器人的末端位姿，依次进行角速度与角加速度递推以及依次进行速度和加速度递推，计算各连杆在基坐标系下的运动状态；

步骤3：根据各连杆在基坐标系下的运动状态，求解各连杆所受惯性力与惯性力矩；

步骤4：根据机器人的三维模型建立机器人有限元模型；

步骤5：分别计算由机器人自重、负载及各项惯性力与惯性力矩引起的变形情况，将每项载荷引起的变形线性叠加，求出机器人总的动态变形、应力及应变。

所述依次进行角速度与角加速度递推，包括以下步骤：