[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

说明书

本发明公开了一种基于关节能耗评估的机器人工作单元布局优化方法。该方法包括：步骤一，建立工作单元内机器人的动力学模型，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；步骤三，机器人能耗影响因素分析；步骤四，机器人能耗评估值计算，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，对位置优化布局。本发明通过优化机器人和工件相对位置的方式，改变机器人的关节运动轨迹，在不降低生产线工作效率的同时，达到降低机器人运动能耗的目的。

技术领域

本发明涉及了一种机器人工作单元布局优化的方法，尤其是涉及了一种基于关节能耗的机器人工作单元布局优化方法。

背景技术

随着我国经济的发展和劳动力成本的不断提高，人口红利逐渐消失，而机器人控制技术取得巨大发展，企业在生产线上对工业机器人的使用越发频繁。机器人的运行往往伴随着电能的巨大消耗，这无疑增加了企业的运行成本，如果减少工业机器人的使用，则会直接造成企业的效益下滑。因此，如何在不降低生产线工作效率的同时，降低工业机器人的电能消耗，将显得尤为重要。

以往降低机器人加工能耗往往是通过优化机器人运动轨迹参数的方式实现的，而对于某些任务轨迹固定的场合，此方法的效果不佳。

发明内容

为解决现有技术的不足，实现降低能耗的目标，本发明采用如下的技术方案：

步骤一，建立工作单元内机器人的动力学模型，对机器人进行动力学分析：

由拉格朗日法简化后可知，机器人系统刚体动力学方程为

式中，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；故各主动关节力矩为τ。

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将这些摩擦力模型附加到机器人动力学模型中，可得到一个更完整的模型：

根据机器人关节能耗方程，得到工业机器人某一时刻，某个关节的输出功率。

其中p_i表示输出能耗，τ_i表示机器人不同关节的力矩，表示各关节转动角速度。

根据机器人关节能耗方程，在工业机器人运动过程中，通过一系列个(包括起始点和终止点)路径插值点，可得到一段时间内，机器人总能耗方程：

i表示插值点，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，n表示关节数量，W表示电能消耗之和，机器人不同关节的力矩是由多个电机驱动的，因此需要将各个关节电机消耗的能量进行累加。

步骤二，建立机器人关节能耗分析的运动学约束模型：

机器人工作单元能耗分析过程中主要考虑生产节拍约束、运动学约束、动力学约束：

(1)生产节拍约束

生产线上所有工位的加工任务必须在生产节拍内完成，而工位的生产节拍由本工位加工用时最长的机器人决定。这就要求工作单元内的加工时间T(W_i)，即总能耗方程中开始时间t₀到结束时间t₁的差值，必须满足生产周期T约束。

T(W_i)≤T