[发明专利]一种多关节机器人动力学仿真装置及方法

说明书

本发明涉及一种多关节机器人动力学仿真装置及方法，包括处理单元、输入单元和通信单元，所述处理单元包括嵌入式处理器及最小系统，所述输入单元包括触摸屏和上位机，所述嵌入式处理器通过通信单元分别与触摸屏和上位机通信，所述通信单元包括Wi‑Fi接口、以太网接口、USB接口和视频接口，所述通信单元、处理单元和触摸屏连接有电源模块，所述电源模块、通信单元、处理单元及触摸屏外设有壳体。本发明在进行机器人仿真时基于Twist‑wrench公式进行建模，从而适用于多关节的机械结构，建模的适用性广泛，在数值解算过程中采Rosenbrock改进法，系统鲁棒性强，精度高、稳定性好。

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种多关节机器人动力学仿真装置及方法。

背景技术

多关节机器人广泛应用于航空、航天、船舶、汽车等各个工业场合，特别是伴随人工智能科技的发展，仿生机器人、人形机器人、微型机器人等类型的多关节机器人更是层出不穷，迅速改变着人们的生产生活方式。在进行多关节机器人理论分析、设计、加工、生产、检测和校核过程中，对其动力学进行建模和仿真是必须的。

由于多关节机器人功能需求的不同造成其结构形式、驱动方法、负载特性各不相同，因此没有一种设备可以包含各类多关节机器人的动力学模型。此外，由于多关节机器人动力学模型由非线性时变的微分方程组构成，对其模型进行解算，特别是有实时性要求时，必须有一种鲁棒性强、精度高、稳定性好的数值方法。

发明内容

本发明为解决机器人动力学模型建模困难、方法不统一、数值解法精度低、稳定性差、难以实现实时仿真、结果可视性差的问题提供了一种多关节机器人动力学仿真装置及方法，设置有人机交互友好的多关节机器人动力学仿真装置，通过方法优化了建模步骤、及数值解算方法，适用于各种多关节机器人仿真作业。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一方面，本发明提供一种多关节机器人动力学仿真装置，所述装置包括：

处理单元、输入单元和通信单元，所述处理单元包括嵌入式处理器及最小系统，所述输入单元包括触摸屏和上位机，所述嵌入式处理器通过通信单元分别与触摸屏和上位机通信，所述通信单元包括Wi-Fi接口、以太网接口、USB接口和视频接口，所述通信单元、处理单元和触摸屏连接有电源模块，所述电源模块、通信单元、处理单元及触摸屏外设有壳体。

进一步地，所述壳体为内部中空的方形结构，壳体的内部设置通信单元、嵌入式处理器及最小系统，壳体包括顶板、底板和侧板，所述顶板上端开设方形凹槽，所述方形凹槽内嵌触摸屏，所述侧板对应所述Wi-Fi接口、以太网接口、USB接口和视频接口开设有连接孔，所述底板设置有长条状散热孔，顶板、底板和侧板通过螺钉固定连接。

另一方面，本发明实施例提供一种多关节机器人动力学仿真方法，所述方法包括：

步骤1：通过上位机发送机器人配置文件及环境对机器人施加的作用信息至处理单元；

步骤2：使用输入单元对处理单元设置机器人配置参数及仿真初始条件；

步骤3：利用所述机器人配置文件、环境对机器人施加的作用信息、机器人配置参数及仿真初始条件基于Twist-wrench公式建立机器人动力学模型；

步骤4：通过最小系统内固化的数值算法库对所述基于Twist-wrench公式建立机器人动力学模型进行解算；

步骤5：触摸屏将机器人的运动状态仿真结果以三维图形的方式进行展示。

进一步地，步骤1所述机器人配置文件及环境对机器人施加的作用信息包括：机器人初始位置下的变换矩阵M_i,j、机器人第i个关节的转轴在基坐标系下的矩阵机器人重力加速度g以及机器人第i个连杆的空间惯性矩阵

所述机器人第i个关节的转轴在基坐标系下的矩阵表示为：