[发明专利]一种高速并联机器人驱动系统参数优化选型方法

摘要

本发明提出一种高速并联机器人驱动系统参数优化选型方法，属于机器人技术与应用领域。该方法首先确定高速并联机器人的逆运动学模型和逆动力学模型，将机器人完成一次标准运动的时间作为衡量机器人快速性的指标；设定该指标及机器人驱动系统等效惯量取值范围，绘制参数化性能图谱；通过性能图谱直观反映机器人快速性与不同电机功率、瞬时最大力矩、额定力矩、电机惯量和减速器减速比的关系，比较机器人配合不同伺服电机和减速器组合所能达到的性能水平，得到最优的伺服电机和减速器组合。本发明无需试凑和反复验证，减小了计算量，提高了优选效率，以机器人实际性能为导向指导电机和减速器参数优化选型，可有效提升机器人系统动力学性能。

主权项

1.一种高速并联机器人驱动系统参数优化选型方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定高速并联机器人的逆运动学模型和逆动力学模型；高速并联机器人的逆运动学模型为采用闭环矢量法建立的机器人末端执行器位置、姿态和驱动关节转动角度的映射关系；根据机器人的逆运动学模型，采用虚功原理的方法，建立机器人逆动力学模型；逆动力学模型反映机器人末端执行器的位置速度、加速度和驱动关节所需驱动力矩的映射关系，表达式如下：其中，τ表示驱动关节所需力矩，I表示与惯性力有关的机器人机械本体惯量矩阵，C表示与科氏力和向心力有关的科氏矩阵，G表示重力项，表示机器人末端执行器加速度，表示末端执行器速度；2)定义一个反映高速并联机器人快慢水平的标准运动：令机器人末端执行器在其工作空间中间水平面开始运动，先上升25mm再水平移动305mm然后下降25mm，然后再原路返回，作为该机器人的一次标准运动；确定衡量高速并联机器人快速性的指标：将高速并联机器人完成一次标准运动的时间作为衡量机器人快速性的指标，记为T；3)给定任意T的取值，采用现有的轨迹规划方法(如B样条、S曲线等方法)对机器人末端执行器的位置χ、速度和加速度进行规划，则对于任意给定的T值均得到机器人位置、速度和加速度关于时间的函数；基于步骤1)确定的机器人逆运动学模型和逆动力学模型，得到机器人运动过程中t时刻驱动关节的力矩τ(t)，t时刻转动角加速度和运动过程中的t时刻最大转动角速度对于T相应的参数表达式；4)令机器人伺服电机处于正常工作状态，则步骤3)得到的三个参数τ(t)，和分别符合以下条件：其中，为高速并联机器人驱动系统等效惯量，表达式如下：JM为伺服电机惯量，n为减速器减速比；τmax,M为伺服电机允许的瞬时最大力矩，γg为减速器传递效率，τcon,M为伺服电机额定力矩，PM为伺服电机额定功率；将式(2)和式(3)中不等式左边的与伺服电机参数有关的量分别定义如下：5)将式(2)至式(4)的大于等于号转化为等号，则式(2)至(4)变成如下形式：则根据式(8)至(10)计算不同T的取值和JMeq取值的组合所对应NMT，NRT和PM的最小取值；6)分别设定T的取值范围和的取值范围，根据步骤5)的计算结果，分别绘制随不同T和J_Meq取值变化的NMT，NRT和P_M等高图，获得高速并联机器人驱动系统的参数化性能图谱；该图谱中包含三个系列的等高线，分别是NMT，NRT和P_M参数的等高线；7)任意选取一种备选伺服电机和减速器组合，根据该组合中备选伺服电机的额定功率PM、额定力矩τcon,M、瞬时最大力矩τmax,M和伺服电机惯量JM，利用式(8)和(9)，计算该伺服电机和减速器组合相应的NMT和NRT；将该组合的NMT，NRT和PM参数值代入步骤6)得到的参数化性能图谱，找到与该组合的NMT，NRT和PM取值分别对应的三条等高线，则满足步骤6)设定的T和JMeq的取值范围且在三条等高线上方的交集区域即为该备选伺服电机和减速器组合的参数‑性能可行范围；8)重复步骤7)，分别找到每种备选伺服电机和减速器组合对应的参数‑性能可行范围，比较每种可行范围所对应的T的最小值，选出T值最小的伺服电机和减速器组合，确定该组合的JMeq取值和伺服电机型号；9)根据步骤8)确定型号的伺服电机惯量以及JMeq取值，结合公式(5)，确定减速器减速比，高速并联机器人驱动系统参数优化选型完成。