[发明专利]用于操作机械臂的动力学计算方法及机械臂的中央控制方法和系统

说明书

本发明公开了一种用于操作机械臂的动力学计算方法及机械臂的中央控制方法和系统，该机械臂动力学计算方法包括：以关节转角作为广义坐标，通过递推的方式计算所述机械臂上各连杆坐标系的线加速度及角加速度；计算所述机械臂的整体高斯拘束量及所述整体高斯拘束量对各个关节的关节角加速度的一阶偏导数；利用高斯最小拘束原理计算关节角加速度，积分计算关节速度及关节角度；计算关节力矩；计算系统动量、系统能量；基于动力学计算结果在中央控制器中实现动力学仿真、重力补偿、位置控制、力控制、碰撞检测等功能。本发明有助于降低机械臂的动力学问题计算中所需的计算量，提高计算结果的精确度，并能够适应新型机械臂的操作对中央控制器的需求。

技术领域

本发明涉及机械臂或机械臂中央控制系统的技术领域，尤其涉及一种用于操作机械臂的机械臂动力学计算方法、机械臂的中央控制方法和系统。

背景技术

操作机械臂的动力学仿真、重力补偿、位置控制、力控制和碰撞检测等功能都需要进行动力学计算。机械臂的仿真及碰撞检测等功能需要通过对动力学正问题进行计算以获得系统的加速度、动能、动量，因而要求动力学计算方法具有长时间的稳定性及较高的计算精度。机械臂的重力补偿、位置控制、力控制等功能需要对动力学反问题进行计算以获得关节力矩，要求动力学计算方法具有较高的计算效率以及较高的实时性能。完整的动力学计算流程包括数据输入、建立动力学方程、求解动力学方程、结果输出等步骤。

在对机械臂的动力学问题进行建模时，最常用的方法包括拉格朗日法以及牛顿-欧拉法。基于拉格朗日法的计算方法取关节转角作为广义坐标，利用第二类拉格朗日方程推导得到系统的动力学方程。拉格朗日法建模得到的动力学方程中，通过计算惯性力项、广义力项并求和后可用于计算关节力矩以完成动力学反问题的计算，对质量阵求逆后可利用动力学模型计算关节角加速度，进行积分后可获得系统的速度及位置，从而完成动力学正问题的计算。对于常见的6自由度机械臂，基于拉格朗日法的计算方法得到的是高度非线性且冗长的动力学方程，在实际使用时需要根据具体的机械臂构型推导动力学方程，对于不同类型的机械臂建模得到的是不同的动力学方程，此方法建模难度大，计算效率差。只有在针对特定型号的机械臂进行开发的机器人控制器中才能使用此方法作为动力学问题的计算方法，不能在通用型机器人中央控制器中作为建模方法进行动力学计算。

基于牛顿-欧拉法的计算方法通过正向递推计算机械臂上各连杆的质心速度、加速度，通过逆向递推计算关节力矩。牛顿-欧拉法建模得到的模型可以直接用于机械臂动力学反问题的计算，通过多次调用牛顿-欧拉法可以间接计算动力学方程中的质量阵，从而计算关节角加速度以完成动力学正问题的计算。基于牛顿-欧拉法的计算方法需要进行正向递推及反向递推，递推过程会不断累积舍入误差，从而导致计算结果的精确度较差。对于动力学正问题，基于牛顿-欧拉法的计算方法由于需要通过多次递推计算质量阵，其计算效率差，且计算结果仅能对短时间的动力学行为进行预测，不能用于长时间的动力学仿真。通常，机器人控制器中仅使用该方法进行动力学反问题的计算，而不能同时具有计算动力学正问题的功能，无法为基于模型的位置控制、力控制及碰撞检测等功能提供必要的支持。

现有机器人控制器中仅对动力学计算功能进行直接集成，只能针对特定任务设计动力学问题计算方案，没有通用的软件架构，控制器的整体架构不会根据动力学模块进行优化。无法实现动力学计算的模块化、通用化，现有动力学计算方法无法处理同时涉及多种动力学问题计算需求的情形，导致机器人控制器的功能单一、性能不佳，不能适应新型机械臂的操作对中央控制器的需求。

因此，亟需设计一种新的用于操作机械臂的机械臂动力学计算方法，并基于新的动力学计算方法设计中央控制方法和系统，以至少部分解决现有技术存在的上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有的机械臂系统中涉及动力学计算功能的方法无法兼顾多种动力学问题的计算需求因而限制了相关机械臂及机器人控制系统的功能和性能的缺陷，提出一种新的用于操作机械臂的机械臂动力学计算方法、机械臂的中央控制方法和中央控制系统。

本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：