(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210861475.4 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 西安理工大 学 地址 710048 陕西省西安市碑林区金花 南 路5号 (72)发明人 张广鹏　杨志坚　任利娟　李永昌　 于殿明　 (74)专利代理 机构 西安弘理专利事务所 61214 专利代理师 王奇 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 15/08(2006.01) B25J 15/02(2006.01) B25J 17/02(2006.01) B25J 18/00(2006.01) (54)发明名称 机械臂关节刚度参数的识别方法 (57)摘要 本发明公开了一种机械臂关节刚度参数的 识别方法， 步骤包括： 1)安装试件； 2)建立机械臂 数学模型； 3)先获得Z和X方向的误差集， 再获得 与误差集数据对应的关节转角数据集合； 4)计算 连杆弯曲变形， 进行机械臂连杆弯曲变形求解； 5)建立机械臂关节扭转刚度计算模型； 6)完成机 械臂关节刚度识别。 本发明的方法使用简单高效 的算法， 避免了传统理论计算带来的机械臂关节 刚度参数误差大的问题。 权利要求书4页 说明书6页 附图6页 CN 115091464 A 2022.09.23 CN 115091464 A 1.一种机械臂关节刚度参数的识别方法， 利用一种测量工具， 其特征在于， 按照以下步 骤实施： 步骤1： 安装试件， 将机械臂末端与气动夹具(1)连接牢靠， 气动夹具(1)上的夹爪(2)夹持住夹持柄(3)； 调整测量架(4)上的激光位移传感器(5)和位移传感器一(6)、 位移传感器二(7)的位姿， 使 其与标定件(8)的测量平面垂直； 步骤2： 建立机 械臂数学模型， 步骤3： 向机器人控制系统输入Y方向的运动指令， 位移传感器一(6)、 位移传感器二(7) 测量Z、 X方向的运动误差， 先通过专用测量工具 上的传感器， 获得Z和X 方向的误差集： Ez＝{z1,z2,z3,z4...,zi}i＝1,2,...,n,EX＝{x1,x2,x3,x4...,xi}i＝1,2,...,n， 误差 集数据包含连杆变形误差和关节扭转误差两部分； 再通过机械臂控制系统， 获得与误差集 数据对应的关节转角数据集合 表示在运动到某个点时 关节角 θ2, θ3组成的向量； 步骤4： 计算连 杆弯曲变形， 对不同位置和姿态下的连杆弯曲变形所产生的末端位置误差分别进行求解， 即进行机 械臂连杆弯曲变形求 解； 步骤5： 建立机 械臂关节扭转刚度计算模型； 步骤6： 完成机 械臂关节刚度识别。 2.根据权利要求1所述的机械臂关节刚度参数的识别方法， 其特征在于： 所述的测量工 具的结构是， 包括气动夹具(1)， 气动夹具(1)上的夹爪(2)与夹持柄(3)连接； 夹持柄(3)另 一端固定有测量架(4)， 测量架(4)上设置有激光位移传感器(5)、 位移传感器一(6)、 位移传 感器二(7)， 测量时该三个传感器均 与标定件(8)的测量平面垂直。 3.根据权利要求1所述的机械臂关节刚度参数的识别方法， 其特征在于： 所述的步骤2 中， 具体过程是， 2.1)设置 机械臂相关的参数， 选取机械臂安装基座建立基坐标系， x0、 y0、 z0表示机械臂基坐标系的坐标轴； 对机械臂 的六个关节分别建立关节坐标系， 其中xi、 yi、 zi分别表示六自由度机械臂的六个关节坐标 系的坐标轴； 依据测量工具在基坐标系下的相 对位置， 建立测量工具坐标系， 其中x7、 y7、 z7 表示测量工具 的坐标轴； dj表示沿zj轴正方向， j关节坐标系原点从xj‑1移动到xj的距离； ak 表示沿xk轴正方向， k关节坐标系原点从zk移动到zk+1的距离； 本步骤中， i ＝1,2,…,6， j＝1,2, …,7， k＝1,2,…,6； 2.2)通过坐标变换， 建立机 械臂运动学模型， 表达式如下： 其中， ix＝c1[c2， 3(c4c5c6‑s4s6)‑s2， 3s5c6]‑s1(s4c5c6+c4s6)；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115091464 A 2iy＝s1[c2， 3(c4c5c6‑s4s6)‑s2， 3s5c6]+c1(s4c5c6+c4s6)； iz＝s2， 3(s4s6‑c4c5c6)+c2， 3s5c6； jx＝‑c1[c2， 3(c4c5s6+s4c6)+s2， 3s5s6]+s1(s4c5s6‑c4c6)； jy＝‑s1[c2， 3(c4c5s6+s4c6)+s2， 3s5s6]‑c1(s4c5s6‑c4c6)； jz＝s2， 3(c4c5s6+s4c6)‑c2， 3s5s6； kx＝c1(‑c2， 3c4s5+s2， 3c5)+s1s4s5； ky＝s1(‑c2， 3c4s5+s2， 3c5)+c1s4s5； kz＝c2， 3c5+s2， 3c4s5； px＝c1[a2c2+(a3‑d7c4s5)c2， 3+(d4+d7c5)s2， 3]+s1(d7s4s5‑d3)； py＝s1[a2c2+(a3‑d7c4s5)c2， 3+(d4+d7c5)s2， 3]‑c1(d7s4s5‑d3)； pz＝d1+(d7c4s5‑a3)s2， 3+(d7c5+d4)c2， 3‑a2s2； 上式中， ix表示机械臂末端坐标系X轴在基坐标系X轴上的分量； iy表示机械臂末端坐标系X轴在基坐标系Y轴上的分量； iZ表示机械臂末端坐标系X轴在基坐标系Z轴上的分量； jx表示机械臂末端坐标系Y轴在基坐标系X轴上的分量； jy表示机械臂末端坐标系Y轴在基坐标系Y轴上的分量； jZ表示机械臂末端坐标系Y轴在基坐标系Z轴上的分量； kx表示机械臂末端坐标系Z轴在基坐标系X轴上的分量； ky表示机械臂末端坐标系Z轴在基坐标系Y轴上的分量； kZ表示机械臂末端坐标系Z轴在基坐标系Z轴上的分量； px表示机械臂末端相对于原点 坐标在X方向的位移； py表示机械臂末端相对于原点 坐标在Y方向的位移； pZ表示机械臂末端相对于原点 坐标在Z方向的位移； si,j＝sin( θi+θj),ci,j＝cos( θi+θj)， i＝1,2, …,6， j＝1,2, …,6， θi与θj分别表示各个 关节转角值； 2‑3)通过静力学分析， 建立机 械臂力学模型： 其中， 重力作用在第二关节处产生的扭矩 表达式为： τα 2＝[G1l1+(G4+G2+G3+G5+G6+G7)L1]sin( θ2) +(G2l2+G5l5+G6l6+G7l7+G3L2)cos( θ2+θ3) 其中， θ2是机械臂第二关节的转动角度； θ3是机械臂第三关节的转动角度； L1是第二关节到第三关节间的连 杆一长度； L2是第三关节到第五关节间的连 杆二长度； l1是第二关节到连 杆一的重心位置沿连 杆一方向的长度； l2是第三关节到连 杆二的重心位置沿连 杆二方向的长度； l5是第四关节电机 重心到第三关节的距离沿连 杆二方向的长度； l6是第四关节减速器重心到第三关节的距离沿连 杆二方向的长度； l7是第五关节电机 重心到第三关节的距离沿连 杆二方向的长度； G1是连杆一的总重力；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115091464 A 3