第3章 工业机器人静力学和动力学分析.docx

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第3章工业机器人静力学和动力学分析

注：

1）2008年春季讲课用；2）带下划线的黑体字为板书内容；3）公式及带波浪线的部分为必讲内容

第3章工业机器人静力学及动力学分析

3.1引言

在第2章中，我们只讨论了工业机器人的位移关系，还未涉及到力、速度、加速度。

由理论力学的知识我们知道，动力学研究的是物体的运动和受力之间的关系。

要对工业机器人进行合理的设计和性能分析，在使用中实现动态性能良好的实时控制，就需要对工业机器人的动力学进行分析。

在本章中，我们将介绍工业机器人在实际作业中遇到的静力学和动力学问题，为以后“工业机器人控制”等章的学习打下一个基础。

在后面的叙述中，我们所说的力或力矩都是“广义的”，包括力和力矩。

工业机器人作业时，在工业机器人和环境之间存在着相互作用力。

外界对手部（或末端操作器）的作用力将导致各关节产生相应的作用力。

假定工业机器人各关节“锁住”，关节的“锁定用”力和外界环境施加给手部的作用力取得静力学平衡。

工业机器人静力学就是分析手部上的作用力和各关节“锁定用”力之间的平衡关系，从而根据外界环境在手部上的作用力求出各关节的“锁定用”力，或者根据已知的关节驱动力求解出手部的输出力。

关节的驱动力和手部施加的力之间的关系是工业机器人操作臂力控制的基础，也是利用达朗贝尔原理解决工业机器人动力学问题的基础。

工业机器人动力学问题有两类：

（1）动力学正问题——已知关节的驱动力，求工业机器人系统相应的运动参数，包括关节位移、速度和加速度。

（2）动力学逆问题——已知运动轨迹点上的关节位移、速度和加速度，求出相应的关节力矩。

研究工业机器人动力学的目的是多方面的。

动力学正问题对工业机器人运动仿真是非常有用的。

动力学逆问题对实现工业机器人实时控制是相当有用的。

利用动力学模型，实现最优控制，以期达到良好的动态性能和最优指标。

工业机器人动力学模型主要用于工业机器人的设计和离线编程。

在设计中需根据连杆质量、运动学和动力学参数，传动机构特征和负载大小进行动态仿真，对其性能进行分析，从而决定工业机器人的结构参数和传动方案，验算设计方案的合理性和可行性。

在离线编程时，为了估计工业机器人高速运动引起的动载荷和路径偏差，要进行路径控制仿真和动态模型的仿真。

这些都必须以工业机器人动力学模型为基础。

工业机器人是一个非线性的复杂的动力学系统。

动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间。

因此，简化求解过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。

在这一章里，我们将首先讨论和工业机器人速度和静力学有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。

3.2工业机器人速度雅可比和速度分析

3.2.1工业机器人速度雅可比

数学上雅可比矩阵（Jacobianmatrix）是一个多元函数的偏导矩阵。

假设有六个函数，每个函数有六个变量，即：

（3-1）

可写成：

Y＝F（X）

将其微分，得：

（3-2）

也可简写成：

（3-3）

式（3-3）中的（6×6）矩阵

叫做雅可比矩阵。

在工业机器人速度分析和以后的静力学分析中都将遇到类似的矩阵，我们称之为工业机器人雅可比矩阵，或简称雅可比。

一般用符号J表示。

图3-1为二自由度平面关节型工业机器人（2R工业机器人），其端点位置x，y和关节变量θ1、θ2的关系为：

（3-4）

即：

（3-5）

将其微分，得：

将其写成矩阵形式为：

（3-6）

令：

（3-7）

式（3-6）可简写为：

dX＝Jdθ（3-8）

式中：

；

我们将J称为图3-1所示二自由度平面关节型工业机器人的速度雅可比，它反映了关节空间微小运动dθ和手部作业空间微小位移dX之间的关系。

注意：

dX此时表示微小线位移。

若对式（3-7）进行运算，则2R工业机器人的雅可比写为：

（3-9）

从J中元素的组成可见，J阵的值是θ1及θ2的函数。

对于n个自由度的工业机器人，其关节变量可以用广义关节变量q表示，q＝[q1q2…qn]T，当关节为转动关节时，qi＝θi，当关节为移动关节时，qi＝didq＝[dq1dq2…dqn]T反映了关节空间的微小运动。

工业机器人手部在操作空间的运动参数用X表示，它是关节变量的函数，即X＝X（q），并且是一个6维列矢量（因为表达空间刚体的运动需要6个参数，即三个沿坐标轴的独立移动和三个绕坐标轴的独立转动）。

因此，dX＝[dxdydzδφxδφyδφz]T反映了操作空间的微小运动，它由工业机器人手部微小线位移和微小角位移（微小转动）组成，d和δ没差别，因为在数学上，dx=δx。

于是，参照（3-8）式可写出类似的方程式，即：

dX＝J（q）dq（3-10）

式中J（q）是6×n的偏导数矩阵，称为n自由度工业机器人速度雅可比矩阵。

它反映了关节空间微小运动dq和手部作业空间微小运动dX之间的关系。

它的第i行第j列元素为：

，i＝1，2，…，6；j＝1，2，…，n（3-11）

3.2.2工业机器人速度分析

对式（3-10）左、右两边各除以dt，得：

（3-12）

即

（3-13）

式中：

V——工业机器人手部在操作空间中的广义速度，V=

；

——工业机器人关节在关节空间中的关节速度；

J（q）——确定关节空间速度

和操作空间速度V之间关系的雅可比矩阵。

对于图3-1所示2R工业机器人来说，J（q）是式（3-9）所示的2×2矩阵。

若令J1、J2分别为式（3-9）所示雅可比的第一列矢量和第二列矢量，则式（3-13）可写成：

式中右边第一项表示仅由第一个关节运动引起的端点速度；右边第二项表示仅由第二个关节运动引起的端点速度；总的端点速度为这两个速度矢量的合成。

因此，工业机器人速度雅可比的每一列表示其它关节不动而某一关节运动产生的端点速度。

图3-1所示二自由度平面关节型工业机器人手部的速度为：

假如θ1及θ2是时间的函数，θ1=f1（t），θ2=f2（t），则可求出该工业机器人手部在某一时刻的速度V＝f（t），即手部瞬时速度。

反之，假如给定工业机器人手部速度，可由式（3-13）解出相应的关节速度，即：

（3-14）

式中：

J-1称为工业机器人逆速度雅可比。

式（3-14）是一个很重要的关系式。

例如，我们希望工业机器人手部在空间按规定的速度进行作业，那么用式（3-14）可以计算出沿路径上每一瞬时相应的关节速度。

但是，一般来说，求逆速度雅可比J-1是比较困难的，有时还会出现奇异解，就无法解算关节速度。

通常我们可以看到工业机器人逆速度雅可比J-1出现奇异解的情况有下面两种：

（1）工作域边界上奇异。

当工业机器人臂全部伸展开或全部折回而使手部处于工业机器人工作域的边界上或边界附近时，出现逆雅可比奇异，这时工业机器人相应的形位叫做奇异形位。

（2）工作域内部奇异。

奇异并不一定发生在工作域边界上，也可以是由两个或更多个关节轴线重合所引起的。

当工业机器人处在奇异形位时，就会产生退化现象，丧失一个或更多自由度。

这意味着在空间某个方向（或子域）上，不管工业机器人关节速度怎样选择手部也不可能实现移动。

[例3-1]如图3-2所示二自由度平面关节型机械手。

手部某瞬沿固定坐标系X0轴正向以1.0m/s速度移动，杆长为l1＝l2＝0.5m。

假设该瞬时θ1＝30︒，θ1＝-60︒。

求相应瞬时的关节速度。

解由式（3-9）知，二自由度机械手的速度雅可比为：

因此，逆速度雅可比为：

（3-15）

，因此，由式（3-14）可得：

因此

从以上可知，在该瞬时两关节的位置和速度分别为θ1＝30︒，θ2＝-60︒，

＝-2rad/s，

＝4rad/s，手部瞬时速度为1m/s。

奇异讨论：

从式（3-15）知，当l1l2sinθ2＝0时，式（3-15）无解。

因为l1≠0，l2≠0，所以，在θ2＝0或θ2＝180︒时，二自由度工业机器人逆速度雅可比J-1奇异。

这时，该工业机器人二臂完全伸直，或完全折回，即两杆重合，工业机器人处于奇异形位。

在这种奇异形位下，手部正好处在工作域的边界上，该瞬时手部只能沿着一个方向（即和臂垂直的方向）运动，不能沿其它方向运动，退化了一个自由度。

对于在三维空间中作业的一般六自由度工业机器人，其速度雅可比J是一个6×6矩阵，

和V分别是6×1列阵，即V（6⨯1）＝J（q）（6⨯6）

（6⨯1）。

手部速度矢量V是由3×1线速度矢量和3×1角速度矢量组合而成的6维列矢量。

关节速度矢量

是由6个关节速度组合而成的6维列矢量。

雅可比矩阵J的前三行代表手部线速度和关节速度的传递比；后三行代表手部角速度和关节速度的传递比。

而雅可比矩阵J的第i列则代表第i个关节速度

对手部线速度和角速度的传递比。

3.3工业机器人力雅可比和静力学分析

工业机器人在作业过程中，当手部（或末端操作器）和环境接触时，会引起各个关节产生相应的作用力。

工业机器人各关节的驱动装置提供关节力矩，通过连杆传递到手部，克服外界作用力。

本节讨论操作臂在静止状态下力的平衡关系。

我们假定各关节“锁住”，工业机器人成为一个结构体。

关节的“锁定用”力和手部所支持的载荷或受到外界环境作用的力取得静力学平衡。

求解这种“锁定用”的关节力矩，或求解在已知驱动力作用下手部的输出力就是对工业机器人操作臂进行静力学分析。

3.3.1操作臂中的静力学

这里以操作臂中单个杆件为例分析受力情况，如图3-3所示，杆件i通过关节i和i+1分别和杆件i-1和杆件i+1相连接，两个坐标系{i-1}和{i}分别如图所示。

图中：

fi-1，i及ni-1，i——i-1杆通过关节i作用在i杆上的力和力矩；

fi，i+1及ni，i+1——i杆通过关节i+1作用在i+1杆上的力和力矩；

-fi，i+1及-ni，i+1——i+1杆通过关节i+1作用在i杆上的反作用力和反作用力矩；

fn，n+1及nn，n+1——工业机器人手部端点对外界环境的作用力和力矩；

-fn，n+1及-nn，n+1——外界环境对工业机器人手部端点的作用力和力矩；

f0，1及n0，1——工业机器人底座对杆1的作用力和力矩；

mig——连杆i的重量，作用在质心Ci上。

连杆i的静力学平衡条件为其上所受的合力和合力矩为零，因此力和力矩平衡方程式为：

fi-1，i+（-fi，i+1）+mig＝0（3-16）

ni-1，i+（-ni，i+1）+（ri-1，i+ri，ci）×fi-1，i+（ri，ci）×（-fi，i+1）＝0（3-17）

式中：

ri-1，i——坐标系{i}的原点相对于坐标系{i-1}的位置矢量；

ri，ci——质心相对于坐标系{i}的位置矢量。

假如已知外界环境对工业机器人最末杆的作用力和力矩，那么可以由最后一个连杆向第零号连杆（机座）依次递推，从而计算出每个连杆上的受力情况。

为了便于表示工业机器人手部端点对外界环境的作用力和力矩（简称为端点力F），可将fn，n+1和nn，n+1合并写成一个6维矢量：

（3-18）

各关节驱动器的驱动力或力矩可写成一个n维矢量的形式，即：

（3-19）

式中：

n——关节的个数

τ——关节力矩（或关节力）矢量，简称广义关节力矩，对于转动关节，τi表示关节驱动力矩；对于移动关节，τi表示关节驱动力。

3.3.2工业机器人力雅可比

假定关节无摩擦，并忽略各杆件的重力，则广义关节力矩τ和工业机器人手部端点力F的关系可用下式描述：

τ＝JTF（3-20）

式中：

JT为n×6阶工业机器人力雅可比矩阵或力雅可比。

上式可用下述虚功原理证明：

证明考虑各个关节的虚位移为δqi，手部的虚位移为δX，如图3-4所示。

及δq＝[δq1，δq2…δqn]T（3-21）

式中，d＝[dxdydz]T和δ＝[δφxδφyδφz]T分别对应于手部的线虚位移和角虚位移（作业空间）；δq为由各关节虚位移δqi组成的工业机器人关节虚位移矢量（关节空间）。

假设发生上述虚位移时，各关节力矩为τi（i＝1，2，…，n），环境作用在工业机器人手部端点上的力和力矩分别为-fn，n+1和-nn，n+1。

由上述力和力矩所做的虚功可以由下式求出：

δW＝τ1δq1+τ2δq2+…+τnδqn-fn，n+1d-nn，n+1δ

或写成：

δW＝τTδq-FTδX（3-22）

根据虚位移原理，工业机器人处于平衡状态的充分必要条件是对任意符合几何约束的虚位移，有：

δW＝0

注意到虚位移δq和δX并不是独立的，是符合杆件的几何约束条件的。

利用式（3-10），dX＝Jdq，将式（3-22）改写成：

δW＝τTδq-FTJδq＝（τ-JTF）Tδq（3-23）

式中的δq表示几何上允许位移的关节独立变量，对于任意的δq，欲使δW＝0，必有：

τ＝JTF

证毕。

式（3-23）表示在静力平衡状态下，手部端点力F向广义关节力矩τ映射的线性关系。

式中JT和手部端点力F和广义关节力矩τ之间的力传递有关，故叫作工业机器人力雅可比。

很明显，力雅可比JT正好是工业机器人速度雅可比J的转置。

3.3.3工业机器人静力学的两类问题

从操作臂手部端点力F和广义关节力矩τ之间的关系式τ＝JTF可知，操作臂静力学可分为两类问题：

（1）已知外界环境对工业机器人手部作用力F'（即手部端点力F＝-F'），求相应的满足静力学平衡条件的关节驱动力矩τ。

（2）已知关节驱动力矩τ，确定工业机器人手部对外界环境的作用力F或负荷的质量。

第二类问题是第一类问题的逆解。

这时

F＝（JT）-1τ

但是，由于工业机器人的自由度可能不是6，比如n＞6，力雅可比矩阵就有可能不是一个方阵，则JT就没有逆解。

所以，对这类问题的求解就困难得多，在一般情况下不一定能得到唯一的解。

如果F的维数比τ的维数低，且J是满秩的话，则可利用最小二乘法求得F的估值。

[例3-2]图3-5所示的一个二自由度平面关节型机械手，已知手部端点力F＝[Fx，Fy]T，求相应于端点力F的关节力矩（不考虑摩擦）。

解已知该机械手的速度雅可比为：

则该机械手的力雅可比为：

根据τ＝JTF，得：

所以

τ1=-[l1sinθ1+l2sin（θ1+θ2）]Fx+[l1cosθ1+l2cos（θ1+θ2）]Fy

τ2=-l2sin（θ1+θ2）Fx+l2cos（θ1+θ2）Fy

若如图3-5（b）所示，在某瞬时θ1＝0，θ2＝90︒，则在该瞬时和手部端点力相对应的关节力矩为：

τ1=-l2Fx+l1Fy

τ2=-l2Fx

3.4工业机器人动力学分析

工业机器人动力学研究的是各杆件的运动和作用力之间的关系。

工业机器人动力学分析是工业机器人设计、运动仿真和动态实时控制的基础。

在本章开头说过，工业机器人动力学问题有两类：

1）动力学正问题——已知关节的驱动力矩，求工业机器人系统相应的运动参数（包括关节位移、速度和加速度）。

也就是说，给出关节力矩向量τ，求工业机器人所产生的运动参数θ、

及

。

2）动力学逆问题——已知运动轨迹点上的关节位移、速度和加速度，求出所需要的关节力矩。

即给出θ、

及

，求相应的关节力矩向量τ。

工业机器人是由多个连杆和多个关节组成的复杂的动力学系统，具有多个输入和多个输出。

存在着错综复杂的耦合关系和严重的非线性。

因此，对于工业机器人动力学的研究，引起了十分广泛的重视，所采用的方法很多，有拉格朗日（Lagrange）方法、牛顿—欧拉方法（Newton-Euler）方法、高斯（Gauss）方法、凯恩（Kane）方法；旋量对偶数方法、罗伯逊—魏登堡（Roberson-WitTenburg）方法等。

拉格朗日方法不仅能以最简单的形式求得非常复杂的系统动力学方程，而且具有显式结构，物理意义比较明确，对理解工业机器人动力学比较方便。

因此，本节只介绍拉格朗日方法，而且用简单实例进行分析。

工业机器人动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间。

因此，简化求解的过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。

3.4.1拉格朗日方程

1）拉格朗日函数

拉格朗日函数L的定义是一个机械系统的动能Ek和势能Eq之差，即：

L＝Ek-Eq（3-24）

令qi（i＝1，2，…，n）是使系统具有完全确定位置的广义关节变量，

是相应的广义关节速度。

由于系统动能Ek是qi和

的函数，系统势能Eq是qi的函数，因此拉格朗日函数也是qi和

的函数。

2）拉格朗日方程

系统的拉格朗日方程为：

，i＝1，2，…，n（3-25）

式中，Fi称为关节i的广义驱动力。

如果是移动关节，则Fi为驱动力；如果是转动关节，则Fi为驱动力矩。

3）用拉格朗日法建立工业机器人动力学方程的步骤：

（1）选取坐标系，选定完全而且独立的广义关节变量qi（i＝1，2，…，n）

（2）选定相应的关节上的广义力Fi：

当qi是位移变量时，则Fi为力；当qi是角度变量时，则Fi为力矩。

（3）求出工业机器人各构件的动能和势能，构造拉格朗日函数。

（4）代入拉格朗日方程求得工业机器人系统的动力学方程。

3.4.2二自由度平面关节型工业机器人动力学方程（动力学分析实例）

1）广义关节变量及广义力的选定

选取笛卡尔坐标系如图3-6所示。

连杆l和连杆2的关节变量分别为转角θ1和θ2，相应的关节1和关节2的力矩是τ1和τ2。

连杆1和连杆2的质量分别是ml和m2，杆长分别为ll和l2，质心分别在Cl和C2处，离相应关节中心的距离分别为pl和p2。

因此，杆1质心Cl的位置坐标为：

x1＝p1sinθ1

y1＝-p1cosθ1

杆1质心Cl的速度平方为：

杆2质心C2的位置坐标为：

x2＝llsinθl+p2sin（θl+θ2）

y2＝-llcosθl-p2cos（θl+θ2）

杆2质心C2的速度平方为：

2）系统动能

3）系统势能（以质心处于最低位置为势能零点）

4）拉格朗日函数

5）系统动力学方程

根据拉格朗日方程

，i＝1，2，…，n

可计算各关节上的力矩，得到系统动力学方程。

计算关节1上的力矩τ1：

所以

上式可简写为：

（3-26）

由此可得

（3-27）

关节2上的力矩τ2：

所以

上式可简写为：

（3-28）

由此可得：

（3-29）

式（3-26）、（3-27）及式（3-28）、（3-29）分别表示了关节驱动力矩和关节位移、速度、加速度之间的关系，即力和运动之间的关系，称为图3-6所示二自由度工业机器人的动力学方程。

对其进行分析可知：

（1）含有

或

的项表示由于加速度引起的关节力矩项，其中：

含有D11和D22的项分别表示由于关节1加速度和关节2加速度引起的惯性力矩项；

含有D12的项表示关节2的加速度对关节1的耦合惯性力矩项；

含有D21的项表示关节1的加速度对关节2的耦合惯性力矩项。

（2）含有

和

的项表示由于向心力引起的关节力矩项，其中：

含有D122的项表示关节2速度引起的向心力对关节1的耦合力矩项；

含有D211的项表示关节1速度引起的向心力对关节2的耦合力矩项。

（3）含有

的项表示由于哥氏力引起的关节力矩项，其中：

含有D112的项表示哥氏力对关节1的耦合力矩项；

含有D212的项表示哥氏力对关节2的耦合力矩项。

（4）只含关节变量θ1、θ2的项表示重力引起的关节力矩项。

其中：

含有D1的项表示连杆1、连杆2的质量对关节1引起的重力矩项；

含有D2的项表示连杆2的质量对关节2引起的重力矩项。

从上面推导可以看出，很简单的二自由度平面关节型工业机器人其动力学方程已经很复杂了，包含很多因素，这些因素都在影响工业机器人的动力学特性。

对于复杂一些的多自由度工业机器人，动力学方程更庞杂了，推导过程也更为复杂。

不仅如此，对工业机器人实时控制也带来不小的麻烦。

通常，有一些简化问题的方法：

（1）当杆件质量不很大，重量很轻时，动力学方程中的重力矩项可以省略；

（2）当关节速度不很大，工业机器人不是高速工业机器人时，含有

、

、

等项可以省略；

（3）当关节加速度不很大，也就是关节电机的升降速不是很突然时，那么含

、

的项有可能给予省略。

当然，关节加速度的减少，会引起速度升降的时间增加，延长了工业机器人作业循环的时间。

3.4.3关节空间和操作空间动力学

1）关节空间和操作空间

n个自由度操作臂的手部位姿X由n个关节变量所决定，这n个关节变量也叫做n维关节矢量q，所有关节矢量q构成了关节空间。

而手部的作业是在直角坐标空间中进行的，即操作臂手部位姿又是在直角坐标空间中描述的，因此把这个空间叫做操作空间。

运动学方程X＝X（q）就是关节空间向操作空间的映射；而运动学逆解则是由映射求其在关节空间中的原像。

在关节空间和操作空间中操作臂动力学方程有不同的表示形式，并且两者之间存在着一定的对应关系。

2）关节空间动力学方程

将式（3-26）、（3-27）及式（3-28）、（3-29）写成矩阵形式，则

（3-30）

式中：

；

；

；

所以

（3-31）

（3-32）

（3-33）

式（3-30）就是操作臂在关节空间中的动力学方程的一般结构形式，它反映了关节力矩和关节变量、速度、加速度之间的函数关系。

对于n个关节的操作臂，D（q）是n×n的正定对称矩阵，是q的函数，称为操作臂的惯性矩阵；H（q，

）是n×1的离心力和哥氏力矢量；G（q）是n×1的重力矢量，和操作臂的形位n有关。

3）操作空间动力学方程

和关节空间动力学方程相对应，在笛卡尔操作空间中，可以用直角坐标变量即手部位姿的矢量X来表示工业机器人动力学方程。

因此，操作力量和手部加速度

之间的关系可表示为：

（3-34）

式中，Mx（q）、Ux（q，

）和Gx（q）分别为操作空间中的惯性矩阵、离心力和哥氏力矢量、重力矢量，它们都是在操作空间中表示的；F是广义操作力矢量。

关节空间动力学方程和操作空间动力学方程之间的对应关系可以通过广义操作力F和广义关节力矩τ之间的关系

τ＝JT（q）F（3-35）

和操作空间和关节空间之间的速度、加速度的关系

（3-36）

求出。

习题

1.图3-7所示二自由度机械手，杆长为l1＝l2＝0.5m，试求下面三种情况