[发明专利]一种用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统和方法

说明书

本发明提供了一种用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统和方法，所述分析与控制系统包括计算机，在计算机C内设建模模块B1和分析模块B2；在计算机C与机器人之间设有信号分析系统B5、检测模块B4与控制模块B3；所述方法能够考虑机器人系统中存在的耦合因素，动态特性分析结果精度高，能有效避免因忽略耦合因素所造成的误差甚至错误的问题，同时可实现系统耦合动态特性的反馈控制，有利于机器人系统的综合分析和集成化设计。本发明基于系统的模块化，易于实现，操作简单，避免了复杂的理论建模计算过程，降低了分析难度，可有效避免因大量计算求解而容易出错的问题。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统和方法。

背景技术

工业机器人在机械加工、上下料、喷涂等作业中有着广泛的应用，在作业过程中，机器人系统需要保持较好的动态性能和操作精度。目前，机器人系统的集成化程度越来越高，这必然增加了系统组成部件(如系统的驱动单元、传感单元、控制单元、传动机构和执行机构)之间的耦合作用。对于大功率重载机器人而言，系统的驱动单元、传动机构和执行机构之间的耦合作用，尤其驱动系统的机电耦合因素对系统的动力学特性影响更为明显。在执行高速操作任务时，机器人执行机构特别是末端关节臂存在一定的抖动现象(称为弹性振动)，必然影响系统的操作精度、稳定性和使用寿命。因此，在设计和使用过程中需要对执行机构的动态特性进行分析测试。相关专利CN201110371711.6公开了一种并联机器人的正逆动力学响应分析与控制方法，其将并联机器人的各个分支链和动平台视为相互独立的子系统，分别求解各分支链子系统、动平台子系统的动力学方程，然后根据子系统间的约束方程，得到系统的正动力学方程和逆动力学方程。相关专利CN200910068500.8将移动平台和机械手视为整体，建立了履带式移动机械手的统一动力学建模，但他们都没有考虑子系统之间的耦合作用，尤其是驱动系统本身的机电耦合因素对动力学特性的影响。因此，如果采用通常方法将机器人驱动单元、传动机构和执行机构单独进行分析，忽略了耦合因素对系统动态性能的影响，将使分析的结果存在一定的误差甚至错误，必然影响整体系统的设计结果和控制效果。而且，现有分析方法通常采用理论建模计算，整个过程难度较大，耗时耗力，易于出错。

对机器人操作过程中产生的抖动现象，通常工程上是采取降低操作速度的方法进行抑制，这种方法首先制约了操作任务的顺利进行，降低了工作效率。其次，简单的降低操作速度缺乏理论指导，效果并不可观。在机器人系统的振动控制方面，专利CN201510113887.X公开了一种并联平台的振动控制装置与方法，专利CN200810198924.1公开了一种模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制装置与方法，专利CN201310321779.2公开了一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置与方法，这些相关专利采取的方法是在柔性杆或柔性结构上张贴智能材料形状记忆合金SMA弹簧或压电陶瓷片驱动器，通过控制结构的变形实现振动抑制的目的(通常称为主动控制)，但是这种方法主要是针对柔性结构易于实施，而对于刚度较高的机器人关节臂而言，难以在其表面张贴微小柔软的智能材料使其产生变形，因此难以采用主动控制实现振动抑制。另一方面，智能材料的使用也无疑改变了系统结构且增加了成本。因此，需要在不使用智能材料的前提下，针对刚度相对较高的机器人关节臂，发明一种有效的动态特性优化或振动控制方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种可用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统和方法，能够考虑驱动系统的机电耦合因素和传动系统的刚柔耦合因素，解决在动态特性分析时由于忽略系统耦合因素而造成的误差甚至错误问题，同时分析过程通过系统的模块化单元实现，使其易于实现，降低难度，避免因大量计算求解而容易出错的问题。同时在不使用智能材料的前提下，提供一种有效的机器人耦合动态特性优化和振动控制方法，对运动过程中末端执行器动态特性进行实时监测与控制，实现末端执行器的高精度操作。本发明具体如下：