[发明专利]一种基于刚度模型的机器人刚度设计方法与终端

说明书

本发明公开了一种基于刚度模型的机器人刚度设计方法与终端，所述方法包括以下步骤：根据机器人结构及刚度设计参数建立机器人刚度模型；选择机器人刚度设计的基准位姿；构建包含刚度综合评价函数、约束条件以及初始值的刚度优化综合模型；求解刚度优化综合模型获得刚度设计变量的最优解。本发明能够在机器人末端刚度约束下，寻找机器人刚度参数的最优分配方案，使机器人刚度和结构设计更加合理，对降低机器人制造成本有重要意义。

技术领域

本发明属于工业机器人设计领域，特别是一种基于刚度模型的机器人刚度设计方法与终端。

背景技术

机器人系统刚度是指机器人系统抵抗外力变形的能力，表现为机器人末端在外力作用下的弹性变形。以往的机器人刚度研究大多集中在机器人整机刚度建模、辨识以及补偿等几个方面，对于机械臂的刚度设计研究较少。对于一般的工业机器人而言，机器人系统刚度的设计原则为刚度愈大越好，刚度性能的提高有利于机器人获得良好的运动、动态性能，但是绝对刚体并不存在。同时，一些包含弹性元件如SEA、扭力传感器等的刚柔或柔体机器人对机器人的整机刚度或柔度有一定的要求，所以在机器人机构或结构设计过程中必须考虑机器人的刚度性能。

文献“基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂的设计与实验研究”中针对SEA串联机器人中弹簧的设计提出了一种基于任务的关节刚度设计方法，该方法利用速度和力雅可比矩阵的映射关系，求解末端刚度约束下的关节刚度，通过若干典型位姿下的关节刚度加权求和求得最终的关节刚度。该方法只适用于非冗余机器人，容易出现局部最优，且没有考虑其他零部件的刚度性能。文献“Stiffness design for a spatial three degrees offreedom serial compliant manipulator based on impact configurationdecomposition”中将三自由度机械臂拆分为两自由度和一自由度机器人进行刚度设计，所获得的关节刚度能够保证在发生碰撞时机器人自身的安全，该方法仅对特定构型机器人适用，对于六自由度甚至是七自由度机器人并不适用。文献“Development of a 7DOF softmanipulator arm for the compliant humanoid robot COMAN”中通过离散的方式对拟人机械臂的关节刚度进行刚度设计以使机械臂的储能性能(安全性)和动态性能同时最大化，该方法仅考虑了关节扭转刚度，且离散的方式容易出现局部最优。文献“Safety designand performance analysis of humanoid rehabilitation robot with compliantjoint”中基于非线性人机碰撞模型对影响机器人安全性能的刚度和速度进行优化设计，用于权衡机器人安全和工作性能，但如何通过关节刚度设计实现指定的末端刚度并没有涉及。综上所述，现有的机器人刚度设计方法存在以下问题：仅关注机器人关节扭转刚度，对于影响机器人末端刚度的其他因素如倾覆刚度，线性刚度等没有考虑；目前的研究大多针对于少自由度(2-3)机器人进行刚度设计，对六自由度甚至是冗余自由度机器人并没有涉及；现有的刚度优化设计方法容易出现局部最优。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中机器人刚度设计存在的问题，提供一种基于刚度模型的机器人刚度设计方法。在机器人机构或结构设计阶段，将机器人刚度性能设计指标通过各种分析手段定量的确定下来，以刚度参数(关节或连杆扭转刚度、倾覆刚度、线性刚度等)作为设计参数，通过优化综合方法寻找机器人刚度参数的最优分配方案，使机器人刚度和结构设计更加合理。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于刚度模型的机器人刚度设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，根据机器人结构及刚度设计参数建立机器人刚度模型；

步骤2，选择机器人刚度设计的基准位姿；

步骤3，构建包含刚度综合评价函数、约束条件以及初始值的刚度优化综合模型；

步骤4，求解刚度优化综合模型获得刚度设计变量的最优解。