[发明专利]一种基于关节能耗评估的机器人工作单元布局优化方法

权利要求书

1.一种基于关节能耗评估的机器人工作单元布局优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，建立工作单元内机器人的动力学模型，根据机器人系统刚体动力学方程、机器人总能耗计算方程，得到机器人各关节输出总能耗；

步骤二，建立机器人关节能耗分析的运动学约束模型，包括生产节拍约束、运动学约束、动力学约束；

步骤三，机器人能耗影响因素分析，包括摩擦力矩分析、布局位置分析；

步骤四，机器人能耗评估值计算，通过仿真模型，得到不同布局下的机器人的关节能耗评估值；

步骤五，工作单元布局优化，通过步骤四得到的所述机器人的关节能耗评估值的分布情况，对优化位置布局。

2.根据权利要求1所述的一种基于关节能耗评估的机器人工作单元布局优化方法，其特征在于，步骤一，所述机器人系统刚体动力学方程为θ为关节角度，对θ求导，可得到关节角速度对求导，可得到关节角加速度D(θ)为机器人系统的惯性矩阵，且为一对称定矩阵，为机器人系统的离心矩阵，G(θ)为机器人系统的重力矩列阵，τ为各主动关节力矩；

所述机器人总能耗计算方程，表示机器人在某一时间段内，各个关节电机消耗的能量总和，W表示电能消耗之和，n表示关节数量，dt表示插值点i到插值点i+1的时间间隔；t₀表示运动开始时间，t₁表示运动结束时间，τ_i表示机器人不同关节的力矩，表示各关节转动角速度。

3.根据权利要求2所述的一种基于关节能耗评估的机器人工作单元布局优化方法，其特征在于，所述机器人系统刚体动力学方程考虑到机器人的实际运行过程，摩擦力的存在，还需要附加一个摩擦力项增加摩擦力项后的机器人系统刚体动力学方程为

4.根据权利要求1所述的一种基于关节能耗评估的机器人工作单元布局优化方法，其特征在于，步骤二，所述生产节拍约束，表示生产线上所有工位的加工任务必须在生产节拍内完成；

所述运动学约束，表示运动轨迹描述的速度、加速度不能超过关节的最大角速度、最大角加速度；

所述动力学约束，表示机器人运行过程中各关节力矩不能超过电机所能承载的最大关节力矩。

5.根据权利要求1所述的一种基于关节能耗评估的机器人工作单元布局优化方法，其特征在于，步骤三，所述摩擦力矩分析，表示电机实际运行中所受到的摩擦力矩对能耗的影响，表示物体的摩擦力矩，表示关节相对角速度，τ_c表示库仑摩擦力矩，表示符号函数，所述库伦摩擦力矩是电机保持某个转速所需的力矩；

所述布局位置分析，表示不同布局位置对机器人关节能耗的影响，通过改变机器人与工件的相对位置，使得机器人的关节运动轨迹发生改变，导致最终机器人的能耗也发生改变。

6.根据权利要求5所述的一种基于关节能耗评估的机器人工作单元布局优化方法，其特征在于，所述摩擦力矩，还包括粘性摩擦力矩，表示粘性摩擦系数，表示物体的摩擦力矩，表示的是关节相对角速度，τ_c是库仑摩擦力矩，是符号函数。

7.根据权利要求1所述的一种基于关节能耗评估的机器人工作单元布局优化方法，其特征在于，步骤四，所述机器人能耗评估值计算，表示通过matlab仿真软件，配合使用了robotic toolbox for matlab扩展工具包，进行机器人运动轨迹能耗分析，包括以下步骤：

步骤a，给定工件在机器人基坐标系下的具体位置，在此基础上通过坐标变换确定工件上的加工起始点在机器人基坐标系下的位置，进而确定机器人的任务轨迹；

步骤b，获取所述任务轨迹上的一系列插补点坐标信息；

步骤c，通过运动学逆解求出机器人关节空间轨迹；

步骤d，根据所述机器人空间运动轨迹，求得机器人不同时刻的关节角速度、关节角加速度及机器人各个时刻的关节力矩，最终计算出某一位置下的机器人能耗评估值；

步骤e，逐一遍历可行域区域内的点；

步骤f，重复步骤a到步骤e，直到遍历完所述可行域区域，将所有的关节能耗评估值与布局位置一一对应输出；

步骤g，输出能耗分布图。