串聯機器人的迭代計算方法及串聯機器人技術

本發明專利技術公開了一種串聯機器人的迭代計算方法及串聯機器人，該方法包括：針對末端關節，根據其前一關節對它的作用力及所受外力進行分析，根據分析結果計算前一關節對它的作用力；在個別的于末端關節之前的每一關節，均根據前一關節對它的作用力及其對后一關節的作用力進行分析，根據分析結果計算前一關節對它的作用力；在得到前一關節對它的作用力后，獲取每一關節的關節角速度和關節角加速度，每一關節均根據前一關節對它的作用力、關節角速度及關節角加速度計算該關節對應的力矩；將關節對應的力矩投影到關節內電機，得到當前時刻應施加的力矩。本發明專利技術算法結構簡單，代碼量少，提高末端的跟蹤精度，較少跟蹤誤差。

【技術實現步驟摘要】
串聯機器人的迭代計算方法及串聯機器人
本專利技術涉及機器人
，具體而言，涉及一種串聯機器人的迭代計算方法及串聯機器人。
技術介紹
串聯機器人因為具有高非線性和高耦合性，其動力學問題受到廣泛的關注，一個n自由度的串聯機器人的全動力學方程式是：其中，為關節角速度，為關節角加速度，τ為各關節的電機轉矩，JT為串聯機器人末端關節質心的雅克比矩陣的轉置矩陣，F為串聯機器人末端關節所受外力，M為串聯機器人質量慣量矩陣，C為串聯機器人速度項矩陣，G為串聯機器人重力項矩陣。上述的全動力學方程，求解各關節的電機轉矩需要首先獲得M，C，G等矩陣，然而由于串聯機器人的高非線性和高耦合性，計算M，C，G等矩陣的過程非常復雜，算法運行效率不高，運算時間比較長，在串聯機器人的自由度較多以后，很難將它應用于1毫秒周期的硬實時控制系統。
技術實現思路
鑒于上述問題，本專利技術實施例的目的在于提供一種串聯機器人的迭代計算方法及串聯機器人，以解決現有技術的不足。根據本專利技術的一個實施方式，提供一種串聯機器人的迭代計算方法，所述串聯機器人包括依次串聯的多個關節，每一關節均包括電機和所述電機帶動的連桿，該方法包括：針對末端關節，根據其前一關節對它的作用力及其所受外力進行受力分析，根據分析結果計算該末端關節受到的前一關節對它的作用力；針對所述末端關節之前的每一關節，均根據其前一關節對它的作用力及其對后一關節的作用力進行受力分析，根據分析結果計算該關節受到的前一關節對它的作用力；在得到前一關節對它的作用力后，獲取每一關節的關節角速度和關節角加速度，每一關節均根據所述前一關節對它的作用力、該關節的關節角速度及關節角加速度計算該關節對應的力矩；將該關節對應的力矩投影到該關節對應電機，得到該電機在當前時刻應施加的力矩，以使所述電機根據該應施加的力矩控制該關節進行運動。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，通過下式計算末端關節對應的力矩：其中，Nn-1,n為第n個關節即末端關節對應的力矩，In為末端關節質心坐標系的轉動慣量，為第n個關節的關節角速度，為第n個關節的關節角加速度，N外為外界對所述串聯機器人末端關節的外力矩，Fn-1,n為第i-1個關節對第i個關節的作用力，r1為Fn-1,n到第i個關節質心的矢量，F外為外界對串聯機器人末端關節的外力，r2為F外到第i個關節質心的矢量。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，通過下式計算末端關節之前每一關節對應的力矩：其中，Nn-2,n-1為第n-1個關節對應的力矩，In-1為第n-1個關節即末端關節質心坐標系的轉動慣量，為第n-1個關節的關節角速度，為第n-1個關節的關節角加速度，N外為外界對所述串聯機器人末端關節的外力矩，Fn-2,n-1為第i-2個關節對第i-1個關節的作用力，r3為Fn-2,n-1到第i-1個關節質心的矢量，Fn-1,n為第i-1個關節對第i個關節的作用力，r4為Fn-1,n到第i-1個關節質心的矢量。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，還包括：針對串聯機器人的每個關節構建一結構體數組，所述結構體數組包括關節屬性信息及根據所述關節屬性信息計算得到的關節運動信息，其中，所述關節運動信息包括關節角速度和關節角加速度。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，所述關節屬性信息包括關節中電機旋轉軸的空間矢量及關節中電機轉角；所述方法還包括：根據所述關節屬性信息計算關節角速度；其具體包括：根據所述關節中電機旋轉軸的空間矢量及所述關節中電機轉角計算該關節的在世界坐標系的姿態；根據該關節的在世界坐標系的姿態計算關節角；通過下式將所述關節角對時間進行微分得到關節角速度：其中，為關節角速度，θ為關節角，為末端關節質心的雅克比矩陣的逆矩陣，V為末端關節的速度。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，所述方法還包括：通過下式計算關節角加速度：其中，為關節角加速度，A為末端關節質心加速度，為對所述末端關節質心的雅克比矩陣求導后的矩陣。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，通過以下步驟計算末端關節質心加速度：根據該末端關節的關節角速度及末端關節坐標系原點的雅克比矩陣得到末端關節坐標系原點在世界坐標系的速度；根據所述末端關節坐標系原點在世界坐標系的速度得到該末端關節質心在世界坐標系的速度；對所述末端關節質心在世界坐標系的速度對時間進行求導，得到該末端關節質心加速度。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，通過下式將所述關節對應的力矩投影到該關節內電機旋轉軸：τn＝Zn·Nn-1,n其中，τn為第n個關節內電機在當前時刻應施加的力矩，Zn為第n個關節內電機旋轉軸矢量。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，每隔預設時間對各關節的關節屬性信息進行初始化，并根據初始化的關節屬性信息計算所述關節運動信息。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，所述關節質心的雅克比矩陣通過下式獲得：其中，Jj為第i個關節質心的雅克比矩陣，J1i為第i個關節質心對第j個關節質心的線速度微分，J1i＝Zi×Di-j，Zi為第i個關節內電機的旋轉軸矢量，Di-1為第i個電機到第j個關節質心的位置矢量，J2i為第i個關節質心對第j個關節質心的角速度微分，J2i＝Zi，i＝j。在上述的串聯機器人的迭代計算方法中，所述關節坐標系原點的雅克比矩陣通過下式獲得：其中，Gj為第i個關節坐標系原點的雅克比矩陣，G1i為第i個關節坐標系原點對第j個關節坐標系原點的線速度微分，G1i＝Zi×D1i-j，Zi為第i個電機的旋轉軸矢量，D1i-j為第i個電機到第j個關節關節坐標系原點的位置矢量，G2i為第i個關節坐標系原點對第j個關節坐標系原點的角速度微分，G2i＝Zi，i＝j。根據本專利技術的另一個實施方式，提供一種串聯機器人的迭代計算裝置，所述串聯機器人包括依次串聯的多個關節，每一關節均包括電機和所述電機帶動的連桿，該裝置包括：第一分析計算模塊，用于針對末端關節，根據其前一關節對它的作用力及其所受外力進行受力分析，根據分析結果計算該末端關節受到的前一關節對它的作用力；第二分析計算模塊，用于針對所述末端關節之前的每一關節，均根據其前一關節對它的作用力及其對后一關節的作用力進行受力分析，根據分析結果計算該關節受到的前一關節對它的作用力；力矩計算模塊，用于在得到前一關節對它的作用力后，獲取每一關節的關節角速度和關節角加速度，每一關節均根據所述前一關節對它的作用力、該關節的關節角速度及關節角加速度計算該關節對應的力矩；投影模塊，用于將該關節對應的力矩投影到該關節內電機，得到該關節內電機在當前時刻應施加的力矩，以使所述關節內電機根據該應施加的力矩控制該關節進行運動。根據本專利技術的再一個實施方式，提供一種串聯機器人，所述串聯機器人包括存儲器以及處理器，所述存儲器用于存儲計算機程序，所述處理器運行所述計算機程序以使所述串聯機器人執行上述的串聯機器人的迭代計算方法或者上述的串聯機器人的迭代計算裝置中的各個模塊的功能。根據本專利技術的又一個實施方式，提供一種計算機可讀存儲介質，其存儲有所述串聯機器人中所用的所述計算機程序。本公開的實施例提供的技術方案可以包括如下有益效果：本專利技術中一種串聯機器人的迭代計算方法及串聯機器人，通過逆向動力學方式，從末端關節開始，依次向前求解個各個關節所需的力矩和它們之間的相互作用力，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種串聯機器人的迭代計算方法，其特征在于，所述串聯機器人包括依次串聯的多個關節，每一關節均包括電機和所述電機帶動的連桿，該方法包括：針對末端關節，根據其前一關節對它的作用力及其所受外力進行受力分析，根據分析結果計算該末端關節受到的前一關節對它的作用力；針對所述末端關節之前的每一關節，均根據其前一關節對它的作用力及其對后一關節的作用力進行受力分析，根據分析結果計算該關節受到的前一關節對它的作用力；在得到前一關節對它的作用力后，獲取每一關節的關節角速度和關節角加速度，每一關節均根據所述前一關節對它的作用力、該關節的關節角速度及關節角加速度計算該關節對應的力矩；將該關節對應的力矩投影到該關節對應電機，得到該電機在當前時刻應施加的力矩，以使所述電機根據該應施加的力矩控制該關節進行運動。

【技術特征摘要】
1.一種串聯機器人的迭代計算方法，其特征在于，所述串聯機器人包括依次串聯的多個關節，每一關節均包括電機和所述電機帶動的連桿，該方法包括：針對末端關節，根據其前一關節對它的作用力及其所受外力進行受力分析，根據分析結果計算該末端關節受到的前一關節對它的作用力；針對所述末端關節之前的每一關節，均根據其前一關節對它的作用力及其對后一關節的作用力進行受力分析，根據分析結果計算該關節受到的前一關節對它的作用力；在得到前一關節對它的作用力后，獲取每一關節的關節角速度和關節角加速度，每一關節均根據所述前一關節對它的作用力、該關節的關節角速度及關節角加速度計算該關節對應的力矩；將該關節對應的力矩投影到該關節對應電機，得到該電機在當前時刻應施加的力矩，以使所述電機根據該應施加的力矩控制該關節進行運動。2.根據權利要求1所述的串聯機器人的迭代計算方法，其特征在于，通過下式計算末端關節對應的力矩：其中，Nn-1,n為第n個關節即末端關節對應的力矩，In為末端關節質心坐標系的轉動慣量，為第n個關節的關節角速度，為第n個關節的關節角加速度，N外為外界對所述串聯機器人末端關節的外力矩，Fn-1,n為第i-1個關節對第i個關節的作用力，r1為Fn-1,n到第i個關節質心的矢量，F外為外界對串聯機器人末端關節的外力，r2為F外到第i個關節質心的矢量。3.根據權利要求2所述的串聯機器人的迭代計算方法，其特征在于，通過下式計算末端關節之前每一關節對應的力矩：其中，Nn-2,n-1為第n-1個關節對應的力矩，In-1為第n-1個關節即末端關節質心坐標系的轉動慣量，為第n-1個關節的關節角速度，為第n-1個關節的關節角加速度，N外為外界對所述串聯機器人末端關節的外力矩，Fn-2,n-1為第i-2個關節對第i-1個關節的作用力，r3為Fn-2,n-1到第i-1個關節質心的矢量，Fn-1,n為第i-1個關節對第i個關節的作用力，r4為Fn-1,n到第i-1個關節質心的矢量。4.根據權利...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王岳嵩，
申請(專利權)人：深圳市優必選科技有限公司，
類型：發明
國別省市：廣東,44