[发明专利]串联工业机器人的机电控感耦合建模方法

说明书

一种串联工业机器人的机电控感耦合建模方法，包括部件建模和部件耦合；部件建模包括连杆建模、减速器建模、永磁同步电机建模、伺服驱动器建模、传感器建模和控制器建模；部件耦合是将串联连杆正向动力学模型与减速器扭转动力学模型融合得到减速器‑连杆耦合动力学模型，将减速器‑连杆耦合动力学模型与永磁同步电机电动力学模型融合得到机电耦合模型，将机电耦合模型离散得到机电耦合离散模型，将机电耦合离散模型与伺服驱动器离散模型、传感器离散模型、控制器离散模型进行融合得到串联工业机器人机电控感耦合模型；本发明充分考虑了部件的非线性特性和多部件之间的耦合关系，能更准确地描述工业机器人部件的动态响应。

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种串联工业机器人的机电控感耦合建模方法。

背景技术

工业机器人凭借效率高、工作空间大和功能多样化等优势，在汽车工业、电力电子和机械制造等诸多领域得到了广泛应用。随着工业机器人体量和服役时间的逐年攀升，因机器人异常导致的事故层出不穷，其安全性和可靠性问题已成为该领域目前的研究热点。

由于工业机器人部件繁多、本体传感信息稀缺且运行工况复杂多变，因此对其开展状态监测难度非常大。为了克服本体传感信息稀缺这一难题，现有方法通过建立工业机器人的物理模型来预测部件的运行状态，而现有建模技术(如中国专利申请号CN202010617567.9，名称：一种工业机器人动力学建模及动力学参数识别方法；申请号CN202010875365.4，名称：一种旋转关节型工业机器人非线性动力学建模分析方法；申请号CN202011103300.4，名称：一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法；申请号CN202011578414.4，名称：一种六轴工业机器人的动力学建模方法等)只考虑了工业机器人的机械系统，忽略了控制、传感、驱动和电机对工业机器人动态特性的影响，简化了工业机器人部件耦合关系，导致建立的模型无法准确描述控制器、传感器、伺服驱动器、永磁同步电机、减速器和连杆等机器人关键部件的动态响应，严重制约了基于物理模型的工业机器人状态监测技术的发展。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种串联工业机器人的机电控感耦合建模方法，考虑了工业机器人控制器、传感器、伺服驱动器、永磁同步电机、减速器和连杆等部件的耦合关系，能更准确地描述工业机器人部件的动态响应，提高更可靠的工业机器人状态监测。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种串联工业机器人的机电控感耦合建模方法，包括部件建模和部件耦合；部件建模包括连杆建模、减速器建模、永磁同步电机建模、伺服驱动器建模、传感器建模和控制器建模；部件耦合利用各个部件模型输入与输出的耦合关系对建立的部件模型进行融合。

所述连杆建模是将串联工业机器人的连杆视为刚体，根据牛顿-欧拉方程建立串联连杆正向动力学模型，串联连杆正向动力学模型的输入为关节力矩，输出为关节角度、关节角速度和关节角加速度。

所述减速器建模是将减速器视为含非线性传动误差和背隙的扭转刚度-阻尼模型，利用扭转测试实验获取减速器的时变扭转刚度系数、时变阻尼系数、非线性传动误差和背隙，根据力矩平衡条件建立减速器扭转动力学模型，减速器扭转动力学模型的输入为电机角度、电机角速度与关节角度、关节角速度，输出为关节力矩。

所述永磁同步电机建模是根据永磁同步电机的电压方程和扭转平衡条件构建永磁同步电机电动力学模型，永磁同步电机电动力学模型的输入为电机直轴电压、电机交轴电压和电机负载力矩，输出为电机三相电流和电机角度，其中电机负载力矩是电机摩擦力矩、减速器摩擦力矩与关节力矩的总和。

所述驱动器建模是建立伺服驱动器离散模型，伺服驱动器离散模型包括永磁同步电机的位置、速度和电流闭环控制，其控制周期与串联工业机器人的实际控制周期保持一致；伺服驱动器离散模型的输入包括电机期望角度、电机期望角速度、电机角度、电机角速度、电机直轴电流和电机交轴电流，输出为电机直轴电压和电机交轴电压。