[发明专利]机械臂扭矩估算方法及估算系统

权利要求书

1.一种机械臂扭矩估算方法，用于估算机械臂进行螺栓拧紧作业时的扭矩，其特征在于，包括以下步骤：

获取机械臂的物理参数，所述物理参数包括不同型号机械臂的DH参数、各连杆的质量、质心和惯性张量参数；

获取机械臂中各关节的角度；

获取机械臂末端工具负载的参数，所述工具负载的参数包括电动扳手及附件的质量、质心和定义在电动扳手末端TCP工具坐标系的RPY姿态角；

利用获取的机械臂的物理参数、机械臂中各关节的角度、机械臂末端工具负载的参数以及机械臂动力学的迭代算式计算得到机械臂的关节扭矩矢量和关节弯矩矢量；

获取关节扭矩和关节弯矩的允许值；

利用关节允许值、关节扭矩判别算式和关节弯矩判别算式，采用循环算法计算得到最大拧紧力矩，其具体过程为：

获取关节扭矩判别算式和关节弯矩判别算式；

设置单位作用力和力矩的矢量以及拧紧力矩；

采用循环算法，计算得到最大拧紧力矩。

2.根据权利要求1所述的机械臂扭矩估算方法，其特征在于，所述步骤利用获取的机械臂的物理参数、机械臂中各关节的角度、机械臂末端工具负载的参数以及机械臂动力学的迭代算式计算得到机械臂的关节扭矩矢量和关节弯矩矢量的过程为：

获取机械臂动力学的迭代算式；

将机械臂的物理参数、机械臂中各关节的角度和机械臂末端工具负载的参数作为输入参数输入机械臂动力学的迭代算式中，得到计算得到机械臂的关节扭矩和关节弯矩。

3.根据权利要求2所述的机械臂扭矩估算方法，其特征在于，所述机械臂动力学的迭代算式为：

式中，F∈R^3×1，F表示机械臂与环境的作用力矢量；N∈R^3×1，N表示机械臂与环境的作用力矩矢量；

R∈R^3×3，R表示连杆之间的变换矩阵；f∈R^3×1，f表示连杆作用力矢量；n∈R^3×1，n表示连杆作用力矩矢量；m∈R^1×1，m表示连杆的质量；I∈R^3×3，I表示连杆的惯性张量；ω∈R^3×1，ω表示连杆的角速度矢量；表示连杆的角加速度矢量；

P∈R^3×1，P表示连杆坐标系原点的位置矢量；P_C∈R^3×1，P_C表示连杆质心的位置矢量；表示连杆质心的加速度矢量；

各字母的上标i和i+1均表示所分析连杆对象的序号；各字母的下标i和i+1均表示所分析物理量相对的连杆坐标系序号。

4.根据权利要求3所述的机械臂扭矩估算方法，其特征在于，所述机械臂动力学的迭代算式的结果为：

[f,n]＝iter([m,I,P],q,rpy)；

式中，iter()表示计算机程序设计语言Python中的函数，[m,I,P],表示连杆的质量、惯性张量和位置，q表示关节角度矢量，rpy表示TCP坐标系姿态角矢量。

5.根据权利要求4所述的机械臂扭矩估算方法，其特征在于，所述关节扭矩判别算式为：

|τ|＝|G_τ(q)+J^T(q,rpy)·FN|≤[τ]；

式中，τ表示关节扭矩矢量；G_τ(q)表示机械臂动力学中重力项对应的关节扭矩矢量；J^T(q,rpy)表示电动扳手末端TCP工具坐标系至关节的力、力矩变换矩阵中的扭矩项矩阵；[τ]表示关节扭矩允许值；

所述关节弯矩判别算式为：

|M|＝|G_M(q)+T_M(q,rpy)·FN|≤[M]；

式中，M表示关节弯矩矢量；G_M(q)表示机械臂动力学中重力项对应的关节弯矩矢量；T_M(q,rpy)表示电动扳手末端TCP工具坐标系至关节的力、力矩变换矩阵中的弯矩项矩阵；[M]表示关节弯矩允许值；

式中，FN表示机械臂与环境的作用力和力矩的矢量。