基于Kane方法的工業(yè)機器人系統(tǒng)柔性動力學(xué)模型研究

梁學(xué)修 代海聰 宋斌 蔣杰 關(guān)永瀚 任媛

摘要：建立動力學(xué)模型對實現(xiàn)工業(yè)機器人系統(tǒng)高精度、高速度、高動態(tài)響應(yīng)控制具有重要意義。本文首先建立了基于Kane方法的傳統(tǒng)剛性動力學(xué)模型，分析得知剛性動力學(xué)模型忽略關(guān)節(jié)非線性特性將潛在導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定及末端抖動問題發(fā)生，針對此問題對剛性動力學(xué)模型進行改進并提出考慮關(guān)節(jié)柔性因素的工業(yè)機器人系統(tǒng)柔性動力學(xué)模型，改善系統(tǒng)控制特性，滿足工業(yè)機器人在切割、涂膠等領(lǐng)域?qū)Φ驼駝雍透叻€(wěn)定性的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：動力學(xué)模型;Kane方法;剛性;關(guān)節(jié)柔性

現(xiàn)有工業(yè)機器人控制領(lǐng)域，已建立基于機器人全剛性連接假設(shè)的機器人動力學(xué)模型[1][2][3]，基于該模型實時引入動力學(xué)前饋控制量，可在一定程度上改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，但卻不可避免地導(dǎo)致了系統(tǒng)末端抖動和不穩(wěn)定性[4]。已有研究表明，機器人系統(tǒng)中的柔性因素（關(guān)節(jié)柔性）可影響末端執(zhí)行器的定位精度與運行穩(wěn)定性[5]，建立考慮機器人柔性因素的動力學(xué)模型，對分析確定機器人末端抖動的根源至關(guān)重要，同時可為后續(xù)優(yōu)化控制提供基礎(chǔ)[6]。此外，提高機器人柔順性具有廣闊的應(yīng)用前景，但柔性動力學(xué)模型建立及其控制也存在一定挑戰(zhàn)性[7]。

本文首先建立了基于Kane方法的傳統(tǒng)剛性動力學(xué)模型，通過對機器人系統(tǒng)的關(guān)節(jié)耦合特性進行研究，分析了該模型缺陷和潛在導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定及末端抖動原因，針對此問題對剛性動力學(xué)模型進行改進;考慮關(guān)節(jié)柔性因素提出基于Kane方法的工業(yè)機器人系統(tǒng)柔性動力學(xué)模型，旨在更準(zhǔn)確反映機器人機電系統(tǒng)的固有特征，提高前饋控制準(zhǔn)確性，從而改善系統(tǒng)控制特性。

1??? 機電系統(tǒng)動力學(xué)模型建模方法

理想情況下，機電系統(tǒng)認為是剛性動力學(xué)系統(tǒng)，控制如圖1所示。

基于剛性動力學(xué)模型基礎(chǔ)，根據(jù)圖2工業(yè)機器人關(guān)節(jié)運動狀態(tài)，考慮關(guān)節(jié)柔性因素，可改進為柔性動力學(xué)模型。

動力學(xué)建模目前有許多較為成熟的方法可供使用，較為常用的包括：Newton-Euler方法;Lagrange方程;Kane方法。這些方法思路不同，但均可根據(jù)動力學(xué)普遍方程相互轉(zhuǎn)化，在本文采用Kane方法進行研究，可建立如下形式方程：

2??? 基于Kane方法的剛性系統(tǒng)模型

2.1??? 剛性系統(tǒng)模型

Kane方法基于偏速度與偏角速度的概念，即運動過程中某一位置點與廣義坐標(biāo)的相對關(guān)系。剛性系統(tǒng)的動力學(xué)模型可基于各個連桿的廣義主動力與廣義慣性力獲取。

在工業(yè)機器人上選取各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的廣義坐標(biāo)，將各個連桿的角速度與線速度表示在其坐標(biāo)系中，構(gòu)建DH矩陣：

為簡化后續(xù)的分析，在各個連桿上建立固結(jié)于連桿的坐標(biāo)系，并將各個連桿的運動學(xué)參數(shù)在局部坐標(biāo)系中表示。

·連桿角速度

·連桿角加速度

·連桿線速度

·連桿線加速度

·連桿質(zhì)心的速度

ⁱv_ci=ⁱv_i+ⁱω_i×ⁱP_ci

在Kane方法中，需要引入偏速度的概念

·連桿偏角速度

·連桿偏速度

·連桿質(zhì)心偏速度

在動力學(xué)廣義慣性力為連桿旋轉(zhuǎn)的慣性力，可表示為：

其中，

對每一個自由度應(yīng)用Kane方程，可得：

從而可得動力學(xué)方程：

對于剛性模型的動力學(xué)方程，q為電機輸出的轉(zhuǎn)角，因此關(guān)于q的信息已知，通過給定的運動，可以獲知給定狀態(tài)下的電機扭矩。

剛性動力學(xué)模型在給定的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速下，可以確定末端的位置姿態(tài)以及關(guān)節(jié)扭矩，可作為動力學(xué)前饋控制基礎(chǔ)，用于提升機器人控制的精度和響應(yīng)。但由于運動中擾動的存在以及動力學(xué)建模中不可避免的誤差，實際的機器人控制系統(tǒng)不能完全依賴于動力學(xué)模型，而需要進行實時反饋控制。且理想的剛性連接假設(shè)前提下，動力學(xué)模型忽略了關(guān)節(jié)非線性因素，將引發(fā)機器人系統(tǒng)在部分位姿控制中產(chǎn)生諧振及動態(tài)響應(yīng)遲滯現(xiàn)象，進而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定及末端抖動。

2.2??? 關(guān)節(jié)柔性模型

當(dāng)考慮關(guān)節(jié)柔性時，各個連桿的遞推關(guān)系為：

·連桿角速度

·連桿角加速度

·連桿線速度

·連桿線加速度

·連桿質(zhì)心的速度

ⁱv_ci=ⁱv_i+ⁱω_i×ⁱP_ci

當(dāng)考慮關(guān)節(jié)柔性時，各個連桿的偏速度可表示為：

·連桿偏角速度

·連桿偏速度

·連桿質(zhì)心偏速度

與剛性模型相比，利用Kane方法得到的各個自由度的方程針對于連桿在彈簧變性后的轉(zhuǎn)角，針對電機輸出的自由度：

·廣義慣性力

·廣義主動力

利用Kane方程可建立考慮關(guān)節(jié)柔性系統(tǒng)的動力學(xué)模型：

F+F^*=0

所導(dǎo)出的方程為12個2階微分方程，當(dāng)考慮關(guān)節(jié)柔性的影響時，原有的微分方程將轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

此時的微分方程組為時變微分方程，需要進行數(shù)值求解。由該方程的形式可知，該方程為時變非線性微分方程，其系數(shù)矩陣中，質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣均為坐標(biāo)的函數(shù)，這使得該方程難以得到解析解，可以使用的Newmark-β方法，進行求解，具有二階精度。

目前這一探索性研究已應(yīng)用于工業(yè)機器人機電系統(tǒng)的動力學(xué)模型構(gòu)建，與伺服控制實際應(yīng)用具有吻合性。這一柔性動力學(xué)建模方法在控制領(lǐng)域的意義在于，可將這一方法應(yīng)用于高速高精度應(yīng)用場景的機器人軌跡控制，特別是要求低振動的平穩(wěn)軌跡應(yīng)用，例如切割、涂膠等，這在實際工程中是常見的。

3??? 結(jié)論

本文通過建立了工業(yè)機器人剛性動力學(xué)模型，作為動力學(xué)前饋控制基礎(chǔ)，用于提升機器人控制的精度和響應(yīng)，并分析了該模型忽略關(guān)節(jié)非線性特性帶來的潛在問題。針對剛性動力學(xué)模型潛在問題，考慮關(guān)節(jié)柔性因素，推導(dǎo)出關(guān)節(jié)柔性動力學(xué)模型，此模型更接近機器人真實固有特性，可實現(xiàn)機器人更高精度和更高帶寬的動態(tài)控制，降低末端抖動并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過Kane方法推導(dǎo)建立數(shù)學(xué)模型，論證了其可行性，為類似機電系統(tǒng)建模提供指導(dǎo)。

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