[发明专利]一种六自由度空间机械臂动态负载能力工作空间分析方法

摘要

本发明实施例提供了一种六自由度空间机械臂动态负载能力工作空间分析方法，实现了六自由度空间机械臂工作空间的动态负载能力分析评估，包括：基于蒙特卡洛法求解六自由度空间机械臂的工作空间；构建工作空间内每一点的构型集及末端速度矢量集；综合构型集和速度矢量集，考虑关节最大峰值力矩求解每一点的动态负载能力，获得六自由度空间机械臂的动态负载能力工作空间。根据本发明实施例提供的技术方案，以实现六自由度空间机械臂工作空间的动态负载能力分析及评估。

主权项

1.一种六自由度空间机械臂动态负载能力工作空间分析方法：依据机械臂运动学位置级逆解方法，解出六自由度空间机械臂工作空间中每一点处的所有可能构型；以工作空间中的每一点为机械臂的目标位姿，利用解析法或解析法结合牛顿‑拉夫逊法，分别计算其位置级逆解；六自由度空间机械臂在工作空间中的每一点最多可对应求出8组关节构型，这些构型即可组成机械臂在该点处所对应的构型集；依据机械臂末端速度梯形规划的特点，取梯形速度规划中的最大速度和加速度作为末端运动状态；在球坐标系中，向空间各个方向发射射线，每条射线的方向视为机械臂末端的速度矢量，以此得到机械臂末端速度矢量集；依据机械臂在其工作空间中某一点处的构型集和速度集，以关节最大峰值力矩为约束条件，计算该点处机械臂动态负载能力的集合，取其中的最小值作为机械臂在该点处的安全动态负载能力值；根据每一点所求得的安全动态负载能力值组成六自由度空间机械臂动态负载能力工作空间；其中，根据所求空间各点处的安全动态负载能力值，组成六自由度空间机械臂动态负载能力工作空间，包括：第一步，在工作空间内某一点的构型集Q和速度矢量集中各取出一个元素，两两组合构成机械臂可能的运动状态集该运动状态集包含了机械臂运动到该点处时所有可能存在的状态；第二步，采用牛顿‑欧拉方法对六自由度空间机械臂进行动力学建模，在所建模型(空间机械臂)末端引入变化负载，对于任意一种运动状态以一定角度间隔不断增加其末端负载的质量，计算每一个关节的关节力矩，直至将末端质量增加到某个使关节力矩超过其关节峰值力矩的最大限度时，前一个负载质量即为该运动状态下机械臂的动态负载能力；换言之，关节最大峰值力矩是空间机械臂动态负载能力的约束条件，动态负载能力求解过程可用下列带约束的优化问题描述：式中，i表示关节标号，m_f表示机械臂末端负载质量，和分别表示机械臂关节速度和关节加速度，和分别表示机械臂末端速度和加速度，表示第i个关节的最大峰值力矩；通过计算该点处所有运动状态的动态负载能力，可得到该点处的动态负载能力集合M，取质量集合M中的最小值m_min作为该点的安全动态负载能力；第三步，采用第二步所述方法计算出工作空间内所有点的安全动态负载能力，即可得到六自由度空间机械臂的动态负载能力工作空间Mc。