[发明专利]一种机械臂负载质心范围计算与负载曲线图绘制方法

说明书

本发明是一种机械臂负载质心范围计算与负载曲线图绘制方法，属于机器人技术领域。本发明方法将负载视为一具有质量的质点，由机械臂末端关节的负载允许最大扭矩和惯性矩计算负载质心横坐标临界值，通过机械臂动力学方程计算机械臂各关节的扭矩，记录每个关节扭矩等于所能承受的扭矩最大值时的负载质心纵坐标，再确定当前负载质量下的负载质心纵坐标临界值；改变负载质量，重复上述步骤，计算不同负载质量下的负载质心横、纵坐标临界值，绘制机械臂负载曲线图。本发明综合考虑整条机械臂的扭矩承受能力，可绘制准确的负载曲线图，满足了机械臂生产商需要绘制负载曲线图的需求，适用于多关节机器人或者机械臂，尤其是轻量性机器人。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机械臂负载质心范围计算与负载曲线图绘制方法。

背景技术

工业机器人的广泛应用对于提高劳动生产率、降低劳动成本以及改善劳动环境具有非常重要的意义。近些年来，机器人技术飞速发展，在汽车、轮船、机械加工、橡胶及塑料工业、食品工业、木工制造业等诸多行业中随处可见。

然而，随着工业机器人应用形式的不断增加，其使用的安全性也备受重视。其中，机器人末端的负载重量受到机器人整体允许承载的最大负载限制，在一定的负载下，负载的质心范围必须要在允许范围内，若超出允许范围，就会出现过载现象。当机器人末端过载时，长时间运行容易造成机器人损坏，影响经济效益，情况严重时甚至可能会造成人员伤亡。

国内机器人负载质心范围的计算和负载曲线图的绘制一直是重点和难点，目前并没有明确规定负载曲线图的绘制标准，不同的机器人厂家的计算方法和对负载图的定义各有不同，这对于不同领域的机器人应用选型有一定的困难。

目前国内关于机械臂负载质心范围计算与负载曲线图绘制方法，多是通过分析国外机械臂产品规格中给出的负载曲线图，进行一定的假设基础上给出一种绘制方法，并不准确，也不严谨。

发明内容

现有的机械臂负载质心范围计算与负载曲线图绘制方法存在基于猜想、不准确、不严谨的问题，也存在只考虑部分薄弱关节来计算负载质心范围但并不适用于轻型机器人等问题，因此，本发明提供了一种机械臂负载质心范围计算与负载曲线图绘制方法，应用于多关节机器人或者机械臂，尤其针对轻量型机器人，综合考虑整条机械臂的扭矩承受能力，在机械臂动力学模型基础上进行质心范围计算，为机械臂负载质心范围监测提供参考，可满足机械臂生产商需要绘制负载曲线图的需求。

本发明的机械臂负载质心范围计算与负载曲线图绘制方法，包括如下步骤：

步骤1：确定当前作用于机械臂末端的负载质量和负载质心坐标；负载质心坐标位于建立在机械臂末端的空间直角坐标系内；

步骤2：根据机械臂末端关节的负载允许最大扭矩和惯性矩计算负载质心横坐标临界值；

步骤3：将负载视为一具有质量的质点，质点位于负载质心坐标位置，根据质点绕轴的转动惯量和绕轴惯性积计算公式，计算负载相对于所述空间直角坐标系三轴的转动惯量和惯性积；

步骤4：采用Newton-Euler方法建立机械臂动力学方程，计算当前机械臂各关节的扭矩；

步骤5：判断当前是否有关节的扭矩等于该关节所能承受的扭矩最大值，若是，记录当前负载质心纵坐标，若否，改变负载质心坐标位置，转步骤3计算；

步骤6：根据所记录的机械臂所有关节对应的负载质心纵坐标，选取其中最小值作为负载质心纵坐标临界值；

步骤7：改变负载质量，重复执行上述步骤1～6，计算不同负载质量下的负载质心横、纵坐标临界值，然后绘制机械臂负载曲线图，负载曲线图中记载不同负载质量下的负载质心横、纵坐标临界值。