[发明专利]一种基于机械臂柔性变形的工业机器人动力学建模方法

说明书

一种基于机械臂柔性变形的工业机器人动力学建模方法，包括以下步骤：首先根据ABAQUS软件建立模型，确定模型网格参数、动力学建模参数和边界条件，然后使用控制方程求解机械臂柔性变形后的单元节点位置，进而根据正运动学计算出旋转后的单元节点位置，对此时的单元逆向运动求解单元节点纯变形，计算出单元节点内力；根据惯性力确定单元节点外力，最后对单元节点位置和计算时间进行更新；对上述步骤进行迭代计算，直至计算时间达到最终时间。本发明将机械臂杆件柔性考虑到动力学模型中，有效模拟出因机械臂柔性产生的末端抖动现象，为工业机器人振动机理的研究及提高定位精度提供了理论基础；并且推导流程简洁，适合编程计算，具有实用意义。

技术领域

本发明涉及一种工业机器人动力学建模方法，特别涉及一种基于机械臂柔性变形的工业机器人动力学建模方法，属于动力学建模技术领域。

背景技术

随着对工业机器人精度要求的不断增加，工业机器人机械臂柔性变形导致的振动问题已无法忽略，传统消除工业机器人机械臂柔性变形的方法从提升机器人整体刚度的角度着手，对机械臂材料和结构进行冗余设计，但是这种设计使得工业机器人产生平顺性差、耗能高和响应慢的问题，不得不进行轻量化、柔性悬挂设计，进而又会加剧工业机器人柔性变形的影响。

工业机器人动力学建模能够对机械臂柔性变形机理进行分析，对进一步提高工业机器人定位精度和实时性能有着重要意义。传统的工业机器人动力学建模方法主要有Lagrange、Newton-Euler以及Kane法，多基于工业机器人机械臂刚性假设，而采用有限单元法为主的柔性变形分析方法，对于工业机器人这种刚体大转动-多柔体变形耦合的模型，常面临求解效率低，刚度矩阵病态甚至无法求解的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机械臂柔性变形的工业机器人动力学建模方法，使其能够简便、准确的建立工业机器人动力学模型，以解决机械臂柔性变形对末端精度的影响，为工业机器人振动机理的研究以及提高定位精度，提供理论基础。

本发明采用如下技术方案：

一种基于机械臂柔性变形的工业机器人动力学建模方法，特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1，采用ABAQUS软件使用六面体单元网络建立工业机器人物理模型，模型所在全局坐标系O-XYZ的坐标轴方向为：e_x＝[1 0 0]^T,e_y＝[0 1 0]^T,e_z＝[0 0 1]^T，获得模型网格参数，确定动力学建模参数和边界条件；

步骤2，根据步骤1的模型网格参数，动力学建模参数以及边界条件，使用结合牛顿运动学和显式中心差分的控制方程求解机械臂柔性变形后的单元节点位置；

式中，为第n+1步机械臂柔性变形后的单元节点i的位置；为第n步机械臂柔性变形后的单元节点i的位置；n为计算步数；ξ为阻尼系数,h为计算步长,m为单元节点质量；F_iⁿ为单元节点i的单元节点力，f_iⁿ为单元节点i的单元节点内力，为单元节点i的单元节点外力，i＝a,b,c...,g,h；

步骤3，根据正运动学对单元节点位置和以关节为旋转中心旋转角度θ，获得旋转后的机械臂单元节点位置和

步骤4，以第n+1步的单元质心为参考点，将第n+1步的单元分别对应逆向运动至第n步的单元位置上，使得相邻两步的单元充分重合，进而根据经过逆向运动后虚拟单元节点位置与第n步的单元节点位置的差值计算出单元节点i的纯变形q_i；