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一种多关节机器人动力学仿真装置及方法与流程 (多关节机器人运动特性)

来源: 浏览: 15次  更新时间:2021-12-12 13:50

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机器人动力学仿真

一种多闭节呆板人能源学仿真安装及办法与过程

本创造波及呆板人范围简直波及一种多闭节呆板人能源学仿真安装及办法。

水平多关节机器人



背景本领:

垂直多关节机器人

多闭节呆板人款待运用于航空、航天、船舶、汽车等各个产业场所特别是伴随人为智能科技的展开general特别是伴随人为智能科技的展开仿愤怒器人、人形呆板人、微型呆板人等典型的多闭节呆板人更是不脚为奇赶快变化着人们的生爆发计办法。在进行多闭节呆板人表面领会、安排、加工、消费、检测和校核过程中闭于其能源学进行建模和仿真是必定的。

垂直多关节机器人特点

因为多闭节呆板人功效需要的不共形成其构造办法、启动办法、负载个性各不沟通因此不一种设备不妨包括百般多闭节呆板人的能源学模型。其他因为多闭节呆板人能源学模型由非线性时变的微分方程组产生闭于其模型进行解算特别是有及时性乞求时必定有一种鲁棒性强、精度高、宁静性好的数值办法。

水平多关节机器人介绍



本领实行因素:

水平关节型机器人

本创造为处理呆板人能源学模型建模艰巨、办法不普遍、数值解法精度矮、宁静性差、难以实本质时仿真、截止可视性差的问题供给了一种多闭节呆板人能源学仿真安装及办法树立有人机接互和睦的多闭节呆板人能源学仿真安装经过办法优化了建模办法、及数值解算办法实用于百般多闭节呆板人仿真功课。

水平多关节机器人缺点

为了实行上述手段本创造的本领筹备是:

一方面本创造供给一种多闭节呆板人能源学仿真安装所述安装包括:

处置单元、输出单元和通讯单元所述处置单元包括嵌入式处置器及最小体系所述输出单元包括触摸屏和上位机所述嵌入式处置器经过通讯单元分别与触摸屏和上位机通讯所述通讯单元包括wi-fi接口、以太网接口、usb接口和视频接口所述通讯单元、处置单元和触摸屏对接有电源模块所述电源模块、通讯单元、处置单元及触摸屏外设有壳体。

进一局面所述壳体为里面中空的方形构造壳体的里面树立通讯单元、嵌入式处置器及最小体系壳体包括顶板、底板和侧板所述顶板上端开设方形凹槽所述方形凹槽内嵌触摸屏所述侧板闭于应所述wi-fi接口、以太网接口、usb接口和视频接口开设有对接孔所述底板树立有长条状散热孔顶板、底板和侧板经过螺钉固定对接。

另一方面本创造实行例供给一种多闭节呆板人能源学仿真办法所述办法包括:

办法1:经过上位机发送呆板人摆设文件及情况闭于呆板人施加的效率信息至处置单元;

办法2:运用输出单元闭于处置单元树立呆板人摆设参数及仿真初始前提;

办法3:运用所述呆板人摆设文件、情况闭于呆板人施加的效率信息、呆板人摆设参数及仿真初始前提基于twist-wrench公式树立呆板人能源学模型;

办法4:经过最小体系内固化的数值算法库闭于所述基于twist-wrench公式树立呆板人能源学模型进行解算;

办法5:触摸屏将呆板人的疏通状况仿真截止以三维图形的办法进行展示。

进一局面办法1所述呆板人摆设文件及情况闭于呆板人施加的效率信息包括:呆板人初始地位下的变幻矩阵mi,j、呆板人第i个闭节的转轴在基坐标系下的矩阵呆板人沉力加快度g以及呆板人第i个连杆的空间惯性矩阵

所述呆板人第i个闭节的转轴在基坐标系下的矩阵展现为:

个中为第i个闭节的转轴在其自己坐标系下的展现为mi,j的伴随阵;

所述呆板人第i个连杆的空间惯性矩阵如公式(2)展现:

个中i为单元阵为第i个连杆的转化惯量mi为第i个连杆的品质;

经过所述呆板人初始地位下的变幻矩阵mi,j创造呆板人在疏通中的模样变幻矩阵ti,j:

个中为自mi-1,i到ti-1,i的变幻矩阵θi为呆板人第i个闭节地位。

进一局面办法2所述呆板人摆设参数及仿真初始前提包括:呆板人闭节加快度参数呆板人闭节速度呆板人闭节地位θ、终局扭力矢量以及呆板人闭节力矩矢量τ;

若进行逆能源学仿真输出呆板人闭节加快度参数呆板人闭节速度呆板人闭节地位θ、终局扭力矢量输出闭节力矩矢量τ

若进行正能源学仿真输出终局扭力矢量和呆板人闭节力矩矢量τ输出呆板人闭节加快度参数呆板人闭节速度和呆板人闭节地位θ。

进一局面所述办法3简直包括:

办法3.1:依据呆板人闭节地位θ树立品质矩阵m(θ)所述品质矩阵m(θ)展现为:

个中

办法3.2:依据呆板人闭节地位θ和呆板人闭节速度树立科氏矩阵所述科氏矩阵展现为:

个中

办法3.3:依据呆板人闭节地位θ树立沉力矩阵g(θ)所述沉力矩阵g(θ)展现为:

个中

为参照系在其自己坐标系下的扭矢量为基坐标系扭矢量的微分ω为角速度;

办法3.4:依据呆板人闭节地位θ树立雅可比矩阵j(θ)所述雅可比矩阵j(θ)展现为:

办法3.5:基于公式(4)~(7)所述呆板人能源学模型展现为:

个中

进一局面办法4所述的数值算法库包括runge-kutta法、线性多步法和rosenbrock矫正法。

进一局面所述办法4简直包括:

办法4.1:针闭于所述基于twist-wrench公式树立的呆板人能源学模型经过公式(9)进行rosenbrock矫正法刻画:

个中y1=θ,t为仿真时间;

将所述公式(9)改写为常微分方程办法:

个中y=[y1y2]t

办法4.2:经过公式(9)和(10)赢得tn时时yn的值运用rosenbrock矫正法闭于基于twist-wrench公式树立的呆板人能源学模型进行数值解算所述数值解算过程如公式(11)~(16)所示:

f0=f(tnyn)(11);

个中f0表姑且函数f在tn时时的值;

k1=w-1(f0+hdt)(12);

个中ki为中央变量h为呆板人仿真步长t为f闭于t的偏微分w=i-hdjj为f闭于y的偏微分

f1=f(tn+0.5hyn+0.5hk1)(13);

k2=w-1(f1-k1)+k1(14);

yn+1=yn+hk2(15);

f2=f(tn+1yn+1)(16)。

进一局面共同公式(11)~(16)求取rosenbrock矫正法的截断缺点error所述截断缺点error展现为:

k3=w-1[f2-e32(k2-f1)-2(k1-f0)+hdt](17);

个中

进一步向基于公式(18)所述运用rosenbrock矫正法闭于基于twist-wrench公式树立的呆板人能源学模型进行数值解算包括运用定步长进行解算和运用变步长进行解算;

所述定步长解算运用于在线的及时仿真;

所述变步长解算运用于离线的非及时仿真。

经过上述本领筹备本创造的有益效验为:

本创造处事时经过上位机发送呆板人摆设文件及情况闭于呆板人施加的效率信息至处置单元并经过触摸屏树立呆板人摆设参数及仿真初始前提采用仿果然典型所述数值算法库依据上述信息闭于呆板人基于twist-wrench公式进行建模并进行数值解算从而达到仿真截止最后触摸屏将表露呆板人的疏通状况三维图形进行展示并经过通讯单元将仿真截止传输至上位机设备进行保持。

在本创造的办法中建模阶段采用基于twist-wrench公式进行建模从而实用于多闭节板滞构造建模的实用性更加款待在数值解算过程中采用rosenbrock办法的矫正rosenbrock办法鲁棒性强在这种办法下运用截断缺点与呆板人仿真步长之间的闭系从而普及了仿真精度共时可进行在线的及时仿真和离线的非及时仿真共同逆能源学仿真和正能源学仿真使呆板人仿真功课采用多元化进一步普及了多闭节呆板人能源学仿真安装及办法的实用性。

附图证明

图1是本创造一种多闭节呆板人能源学仿真安装及办法的安装构造表示图。

图2是本创造一种多闭节呆板人能源学仿真安装及办法的办法办法过程图。

图3是本创造一种多闭节呆板人能源学仿真安装及办法的三维仿真图像。

图4是本创造一种多闭节呆板人能源学仿真安装及办法的平动闭节的仿真截止。

图5是本创造一种多闭节呆板人能源学仿真安装及办法的转化闭节的仿真截止。

附图标号:

1为触摸屏2为嵌入式处置器3为电源模块4为usb接口5为wi-fi接口6为视频接口7为以太网接口8为侧板9为底板。

简直实行办法

为使本创造的手段、本领筹备和便宜更加领会底下将共同本创造实行例中的附图闭于本创造实行例中的本领筹备进行领会地刻画明显所刻画的实行例是本创造一局部实行例而不是理想的实行例。基于本创造中的实行例本范围普遍本领人员在不干出创造性处事前提下所赢得的十脚其他实行例都属于本创造保护的范畴。

实行例1

如图1所示一种多闭节呆板人能源学仿真安装包括处置单元、输出单元和通讯单元所述处置单元包括嵌入式处置器2及最小体系所述输出单元包括触摸屏1和上位机所述嵌入式处置器2经过通讯单元分别与触摸屏1和上位机通讯所述通讯单元包括wi-fi接口5、以太网接口7、usb接口4和视频接口6所述通讯单元、处置单元和触摸屏1对接有电源模块3所述电源模块3、通讯单元、处置单元及触摸屏1外设有壳体。

在处事时经过上位机发送呆板人摆设文件及情况闭于呆板人施加的效率信息至嵌入式处置器2,接着运用触摸屏1将呆板人摆设参数及仿真初始前提输出嵌入式处置器2在嵌入式处置器2收到指令后针闭于基于twist-wrench公式树立呆板人能源学模型并调取最小体系内固化的数值算法库闭于所述基于twist-wrench公式树立呆板人能源学模型进行解算最后将仿真截止触摸屏1以三维图形的办法进行展示。在进行呆板人仿真时处置单元经过通讯单元与其他估计机大概结尾通讯将仿真截止进行共享传输使得本安装既可径自运用也可集成于其他设备中。

其他本安装采用嵌入式体系安排里面功效性模块之间摆设大概嵌入式处置器2端口丰厚不妨依照须要进行功效性摆设从而救济大范畴矩阵运算。

为了普及本安装的便携性所述壳体为里面中空的方形构造壳体的里面树立通讯单元、嵌入式处置器2及最小体系壳体包括顶板、底板9和侧板8所述顶板上端开设方形凹槽所述方形凹槽内嵌触摸屏1所述侧板8闭于应所述wi-fi接口5、以太网接口7、usb接口4和视频接口6开设有对接孔所述底板9树立有长条状散热孔顶板、底板9和侧板8经过螺钉固定对接。

实行例2

闭于应上述的一种多闭节呆板人能源学仿真安装如图2所示本创造实行例供给一种多闭节呆板人能源学仿真办法所述办法包括:

办法1:经过上位机发送呆板人摆设文件及情况闭于呆板人施加的效率信息至处置单元;

办法2:运用输出单元闭于处置单元树立呆板人摆设参数及仿真初始前提;

办法3:运用所述呆板人摆设文件、情况闭于呆板人施加的效率信息、呆板人摆设参数及仿真初始前提基于twist-wrench公式树立呆板人能源学模型;

办法4:经过最小体系内固化的数值算法库闭于所述基于twist-wrench公式树立呆板人能源学模型进行解算;

办法5:经过触摸屏1将呆板人的疏通状况仿真截止以三维图形的办法进行展示。

在本办法中赢得呆板人摆设文件及情况闭于呆板人施加的效率信息后基于twist-wrench公式树立呆板人能源学模型所述能源学模型贴合呆板人闭节信息涵盖平动闭节和转化闭节从而保证仿真截止精确在数值结算过程中最小体系内固化罕见值算法库采用数据算法库中的数值解算法闭于基于twist-wrench公式树立呆板人能源学模型进行解算具备多种截止输出办法既可进行在线的及时仿真也不妨进行离线的非及时仿真从而满脚绝大普遍多闭节呆板人仿果然须要。

实行例3

在上述实行例2的前提上本创造实行例与上述实行例的不共之处在于本实行例中闭于于办法1所述的呆板人摆设文件及情况闭于呆板人施加的效率信息简直包括:

呆板人初始地位下的变幻矩阵mi,j、呆板人第i个闭节的转轴在基坐标系下的矩阵呆板人沉力加快度g以及呆板人第i个连杆的空间惯性矩阵

所述呆板人第i个闭节的转轴在基坐标系下的矩阵展现为:

个中为第i个闭节的转轴在其自己坐标系下的展现为mi,j的伴随阵;

所述呆板人第i个连杆的空间惯性矩阵如公式(2)展现:

个中i为单元阵为第i个连杆的转化惯量mi为第i个连杆的品质;

经过所述呆板人初始地位下的变幻矩阵mi,j创造呆板人在疏通中的模样变幻矩阵ti,j:

个中为自mi-1,i到ti-1,i的变幻矩阵θi为呆板人第i个闭节地位。

实行例4

在呆板人建模前经过触摸屏1采用呆板人仿果然输出典型在本实行例树立有逆能源学仿真和正能源学仿真接着闭于照采用的仿真办法树立呆板人摆设参数办法2所述呆板人摆设参数包括:

呆板人闭节加快度参数呆板人闭节速度呆板人闭节地位θ、终局扭力矢量以及呆板人闭节力矩矢量τ;

若进行逆能源学仿真输出呆板人闭节加快度参数呆板人闭节速度呆板人闭节地位θ、终局扭力矢量输出闭节力矩矢量τ

若进行正能源学仿真输出终局扭力矢量和呆板人闭节力矩矢量τ输出呆板人闭节加快度参数呆板人闭节速度和呆板人闭节地位θ。

从而实行基于twist-wrench公式树立呆板人能源学模型所述办法3简直包括:

办法3.1:依据呆板人闭节地位θ树立品质矩阵m(θ)所述品质矩阵m(θ)展现为:

个中

办法3.2:依据呆板人闭节地位θ和呆板人闭节速度树立科氏矩阵所述科氏矩阵展现为:

个中

办法3.3:依据呆板人闭节地位θ树立沉力矩阵g(θ)所述沉力矩阵g(θ)展现为:

个中

为参照系在其自己坐标系下的扭矢量为基坐标系扭矢量的微分ω为角速度;

办法3.4:依据呆板人闭节地位θ树立雅可比矩阵j(θ)所述雅可比矩阵j(θ)展现为:

办法3.5:基于公式(4)~(7)所述呆板人能源学模型展现为:

个中

实行例5

在实行例2的前提上本创造实行例还供给一种多闭节呆板人能源学仿真办法与上述各实行例的不共之处在于本创造实行例闭于办法4进行了优化简直为:

动作一种可实行办法在本实行例中办法4所述的数值算法库包括runge-kutta法、线性多步法和rosenbrock矫正法在数值算法库采用rosenbrock矫正法闭于基于twist-wrench公式树立的呆板人能源学模型进行数值解算;

办法4.1:针闭于所述基于twist-wrench公式树立的呆板人能源学模型经过公式(9)进行rosenbrock矫正法刻画:

个中y1=θ,t为仿真时间;

将所述公式(9)改写为常微分方程办法:

个中y=[y1y2]t

办法4.2:经过公式(9)和(10)赢得tn时时yn的值运用rosenbrock矫正法闭于基于twist-wrench公式树立的呆板人能源学模型进行数值解算所述数值解算过程如公式(11)~(16)所示:

f0=f(tnyn)(11);

个中f0表姑且函数f在tn时时的值;

k1=w-1(f0+hdt)(12);

个中ki为中央变量h为呆板人仿真步长t为f闭于t的偏微分w=i-hdjj为f闭于y的偏微分

f1=f(tn+0.5hyn+0.5hk1)(13);

k2=w-1(f1-k1)+k1(14);

yn+1=yn+hk2(15);

f2=f(tn+1yn+1)(16)。

在普遍数值解算过程中因为微分方程数值办法中的隐式办法必定建立微分方程的雅可比矩阵所述雅可比矩阵在进行建登时须要运用微分方程的右函数其调用的次数大于等于未知量的个数以致雅可比矩阵的估计量宏大共时耗时也较长。在运用本办法所述rosenbrock矫正法时微分方程雅可比矩阵的建立及微分方程的解算可共时进行从而大大缩小了时耗巨量的运算得以共步使本办法的鲁棒性较好。

实行例6

基于上述多个及时例在仿真过程中为保证实仿果然精确性与上述各实行例的不共之处在于本实行例中闭于截断缺点error进行估计简直为:

共同公式(11)~(16)求取rosenbrock矫正法的截断缺点error所述截断缺点error展现为:

k3=w-1[f2-e32(k2-f1)-2(k1-f0)+hdt](17);

个中

由公式(18)不妨得出截断缺点error是闭于呆板人仿真步长h的函数从而在截断缺点error为设定值时不妨阴谋出呆板人仿真步长h从而闭于呆板人进行优化所述运用rosenbrock矫正法闭于基于twist-wrench公式树立的呆板人能源学模型进行数值解算包括运用定步长进行解算和运用变步长进行解算;

所述定步长解算运用于在线的及时仿真当树立呆板人摆设参数时假如呆板人步长必定经过解算赢得截断缺点error从而依据普遍情景下的截断缺点error的取值范畴估计本次仿真呆板人步长是否适合

当经过呆板人定步长赢得截断缺点error不在普遍情景下的截断缺点error的取值范畴内则依据截断误截断缺点error将呆板人的主步长区分成子步长;

所述变步长解算运用于离线的非及时仿真在不设定呆板人步长的前提下输出预见截断误截断缺点error的值经过公式(18)可赢得呆板人的变步长。

为证明本创造的效验进行如下试验:

在本实行例中采用无人机下安置的二轴瞅瞄体系动作试验闭于象所述二轴瞅瞄体系可视为包括3个平动闭节和5个转化闭节的多闭节呆板人刻画该呆板人的参数如表1所示:

表1

将表1所示数据输根源置单元闭于该呆板人的疏通进行仿真。比方该呆板人转化闭节8上的伺服电机输出一个0.01nm的力矩时本安装可输出各闭节随时间的疏通状况经过触摸屏1可进瞅望其仿真截止如图3~图5所示。

本创造一种多闭节呆板人能源学仿真安装具备和睦的人机接互体验在本创造中一种多闭节呆板人能源学仿真办法运用twist-wrench公式树立能源学模型运用rosenbrock矫正法进行上述模型的数值解算具备多种截止输出办法既可进行在线的及时仿真也不妨进行离线的非及时仿真从而满脚多闭节呆板人的多种仿真须要。

以上所述之实行例不过本创造的较好实行例结束并非节制本创造的实行范畴故凡是依本创造博利范畴所述的构造、特性及本理所干的等效变革大概掩饰均应包括于本创造请求博利范畴内。

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