[发明专利]一种工业机器人整体动力学建模及动力学参数辨识方法

权利要求书

1.一种工业机器人整体动力学建模及动力学参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：结合工业机器人的DH参数，采用拉格朗日方程对工业机器人本体进行动力学建模，得到n连杆的工业机器人动力学方程为:

其中，表示机器人运行过程中各连杆在关节处的惯性力，表示机器人运行过程中各连杆在关节处的离心力和科里奥氏力，D_i表示机器人运行过程中各连杆在关节处的重力；

步骤2：采用由静摩擦、动摩擦和粘滞摩擦构成的摩擦模型对机器人关节摩擦力进行建模，得到关节i的摩擦力矩为：

其中，τ_fi为摩擦力矩，f_ci为动摩擦系数，f_vi为粘滞摩擦系数，F_ci为静摩擦，为连杆i的速度；

对摩擦模型进行参数线性化，令F_ci＝f_ci，将关节i摩擦力矩结合步骤1中的工业机器人动力学方程中，得到工业机器人本体动力学模型为：

步骤3：进行带负载的工业机器人动力学建模，计算带负载的末端连杆的伪惯性矩阵：

J_n＝J_rn+J_l

其中，J_rn为连杆n的惯性矩阵，J_l为负载对于连杆n的关节坐标系的惯性矩阵；

步骤4：设计用于辨识试验的机器人运行轨迹：

步骤5：分步让机器人运行辨识轨迹获取机器人动力学模型参数，包括机器人各个连杆相对于关节坐标系的惯性张量的各项、各个关节的摩擦系数；

步骤6：数据采集与预处理：

利用关节电机的编码器采集机器人各关节的位置数据和速度数据，利用电机伺服驱动器采集电机输出力矩，对数据进行滤波，根据各关节的传动机构减速比，计算得到机器人关节运动数据和关节输出力矩数据；

将滤波后的各关节的速度数据拟合成傅里叶级数，对拟合后的速度曲线进行求导，得到各关节的加速度数据；

步骤7：基于加权最小二乘法的动力学参数求解，得到动力学参数X_dyn的加权最小二乘估计为：

其中，是动力学参数的估计值，为观测矩阵。

2.根据权利要求1所述的工业机器人整体动力学建模及动力学参数辨识方法，其特征在于，步骤5具体包括：

步骤5-1：使1、2、3轴固定不动，则辨识4、5、6轴的惯性参数：

在运行过程中实时采集4、5、6轴的运动参数和各关节电机的输出力矩，运动参数包括位置、速度，得4、5、6轴的动力学方程、惯性参数和2个摩擦参数：

其中，D_i，D_ij，D_ijk(i，j，k＝4，5，6)仅与4，5，6轴的运动状态和连杆惯性相关，每个方程由原来的8个待辨识参数简化为了5个待辨识参数，其中，原来的8个待辨识参数包括6个连杆的惯性参数和2个摩擦参数，简化后的5个待辨识参数包括后3个连杆的惯性参数和2个摩擦参数；

步骤5-2：使4、5、6轴固定不动，则辨识1、2、3轴的惯性参数：

在运行过程中实时采集1、2、3轴的运动参数和各关节电机的输出力矩，

得1、2、3轴的动力学方程、惯性参数和2个摩擦参数：

每个方程由原来的8个待辨识参数简化为了5个待辨识参数，其中，原来的8个待辨识参数包括6个连杆的惯性参数和2个摩擦参数，简化后的5个待辨识参数包括前3个连杆的惯性参数和2个摩擦参数。

3.根据权利要求1所述的工业机器人整体动力学建模及动力学参数辨识方法，其特征在于，步骤6中对数据进行滤波，采用平均化提高信噪比，滑动平均滤波去除干扰噪声。

4.根据权利要求1所述的工业机器人整体动力学建模及动力学参数辨识方法，其特征在于，步骤7中求解动力学参数X_dyn具体为：

步骤7-1：将工业机器人本体动力学模型τ_i修改成一组动力学参数X_dyn的线性方程组：

式中，X_dyn是经过变化后的动力学参数矩阵，为观测矩阵；

步骤7-2：在机器人做辨识轨迹的跟踪运动时，将在N个时间点t₁，t₂，...t_N对τ进行采样得到数据经过处理后，代入上述线性方程组中，得到关于惯性参数的超静定线性方程：

步骤7-3：利用加权最小二乘法求解惯性参数X_dyn，得到动力学参数X_dyn的加权最小二乘估计为：

因为φ并非方阵，因此利用φ矩阵的广义逆(φ^Tφ)^-1φ^T来作为φ的逆矩阵。