一种协作机器人非线性刚度建模方法
Nonlinear Stiffness Modeling Method for a Collaborative Robot
- 机械传动 2021年45卷第8期 页码：51-57
- 作者机构：
1.南方电网科学研究院有限责任公司， 广东 广州 510080
2.中国船舶重工集团公司 第七一六研究所， 江苏 连云港 222006
3.中国科学院 沈阳自动化研究所， 辽宁 沈阳 110016
4.中国科学院 机器人与智能制造创新研究院， 辽宁 沈阳 110169
- 作者简介：
王颂（1983— ），男，湖南长沙人，高级工程师；研究方向为电网设备技术管理、智能运维及诊断技术。
刘爱华（1977— ），女，辽宁抚顺人，硕士，高级工程师；研究方向为机器人技术等。
- 基金信息：国防基础科研计划(JCKY2020206B008┫国家自然科学基金┣51405482)
DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2021.08.007
中图分类号：
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王颂,胡明伟,刘爱华等.一种协作机器人非线性刚度建模方法[J].机械传动,2021,45(08):51-57.
Wang Song,Hu Mingwei,Liu Aihua,et al.Nonlinear Stiffness Modeling Method for a Collaborative Robot[J].Journal of Mechanical Transmission,2021,45(08):51-57.
王颂,胡明伟,刘爱华等.一种协作机器人非线性刚度建模方法[J].机械传动,2021,45(08):51-57. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2021.08.007.
Wang Song,Hu Mingwei,Liu Aihua,et al.Nonlinear Stiffness Modeling Method for a Collaborative Robot[J].Journal of Mechanical Transmission,2021,45(08):51-57. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2021.08.007.
摘要
提出了一种有限元和虚拟关节法相结合的协作机器人非线性刚度建模方法，该方法不仅包含连杆和关节模块线性及耦合刚度，还考虑了机器人传动系统非线性刚度、负载作用下雅可比矩阵变化率以及负载和自重引起的位姿变化对机器人刚度非线性的影响。通过有限元子结构法提取机器人各模块的结构刚度矩阵，与传动系统非线性刚度模型相结合，建立机器人各模块的非线性综合刚度模型；采用数值计算方法计算在外力和自重工况下的静力平衡位姿及各模块受力情况；基于虚拟关节法构建机器人的非线性刚度模型，通过非线性有限元仿真验证了该建模方法的正确性。
Abstract
A nonlinear stiffness modeling method for collaborative robots（Cobots） is proposed， which is combine the finite element analysis method （FEA） with the virtual joint method （VJM）. This modeling method not only includes the linear and coupled stiffness of the link and joint modules， but also takes into account the nonlinear stiffness of transmission systems of robot， the change rate of Jacobian matrix under loads and the influence of the changes of poses are caused by the load and deadweight on nonlinear stiffness of robot. The structure stiffness matrices of link modules and joint modules are obtained by finite element substructure method. Combined with the nonlinear stiffness model of the transmission system， the nonlinear comprehensive stiffness model of each robot module is established. The static equilibrium pose and the force of each module under external force and self-weight condition are calculated by numerical calculation method. Based on the VJM， a nonlinear stiffness model of robot is built， and the validity of this method is proved by nonlinear finite element simulation.
关键词
协作机器人非线性刚度建模子结构法
Keywords
Collaborative robotNonlinearStiffness modelingSubstructure method
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