本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種用于機器人耦合動態特性分析與控制的系統和方法。

背景技術：

工業機器人在機械加工、上下料、噴涂等作業中有著廣泛的應用，在作業過程中，機器人系統需要保持較好的動態性能和操作精度。目前，機器人系統的集成化程度越來越高，這必然增加了系統組成部件(如系統的驅動單元、傳感單元、控制單元、傳動機構和執行機構)之間的耦合作用。對于大功率重載機器人而言，系統的驅動單元、傳動機構和執行機構之間的耦合作用，尤其驅動系統的機電耦合因素對系統的動力學特性影響更為明顯。在執行高速操作任務時，機器人執行機構特別是末端關節臂存在一定的抖動現象(稱為彈性振動)，必然影響系統的操作精度、穩定性和使用壽命。因此，在設計和使用過程中需要對執行機構的動態特性進行分析測試。相關專利CN201110371711.6公開了一種并聯機器人的正逆動力學響應分析與控制方法，其將并聯機器人的各個分支鏈和動平臺視為相互獨立的子系統，分別求解各分支鏈子系統、動平臺子系統的動力學方程，然后根據子系統間的約束方程，得到系統的正動力學方程和逆動力學方程。相關專利CN200910068500.8將移動平臺和機械手視為整體，建立了履帶式移動機械手的統一動力學建模，但他們都沒有考慮子系統之間的耦合作用，尤其是驅動系統本身的機電耦合因素對動力學特性的影響。因此，如果采用通常方法將機器人驅動單元、傳動機構和執行機構單獨進行分析，忽略了耦合因素對系統動態性能的影響，將使分析的結果存在一定的誤差甚至錯誤，必然影響整體系統的設計結果和控制效果。而且，現有分析方法通常采用理論建模計算，整個過程難度較大，耗時耗力，易于出錯。

對機器人操作過程中產生的抖動現象，通常工程上是采取降低操作速度的方法進行抑制，這種方法首先制約了操作任務的順利進行，降低了工作效率。其次，簡單的降低操作速度缺乏理論指導，效果并不可觀。在機器人系統的振動控制方面，專利CN201510113887.X公開了一種并聯平臺的振動控制裝置與方法，專利CN200810198924.1公開了一種模擬太空帆板彎曲和扭轉低頻模態振動控制裝置與方法，專利CN201310321779.2公開了一種模擬空間飛行器壁板結構顫振/振動控制裝置與方法，這些相關專利采取的方法是在柔性桿或柔性結構上張貼智能材料形狀記憶合金SMA彈簧或壓電陶瓷片驅動器，通過控制結構的變形實現振動抑制的目的(通常稱為主動控制)，但是這種方法主要是針對柔性結構易于實施，而對于剛度較高的機器人關節臂而言，難以在其表面張貼微小柔軟的智能材料使其產生變形，因此難以采用主動控制實現振動抑制。另一方面，智能材料的使用也無疑改變了系統結構且增加了成本。因此，需要在不使用智能材料的前提下，針對剛度相對較高的機器人關節臂，發明一種有效的動態特性優化或振動控制方法。

技術實現要素：

本發明針對現有技術存在的不足，提供一種可用于機器人耦合動態特性分析與控制的系統和方法，能夠考慮驅動系統的機電耦合因素和傳動系統的剛柔耦合因素，解決在動態特性分析時由于忽略系統耦合因素而造成的誤差甚至錯誤問題，同時分析過程通過系統的模塊化單元實現，使其易于實現，降低難度，避免因大量計算求解而容易出錯的問題。同時在不使用智能材料的前提下，提供一種有效的機器人耦合動態特性優化和振動控制方法，對運動過程中末端執行器動態特性進行實時監測與控制，實現末端執行器的高精度操作。本發明具體如下：

一種用于機器人耦合動態特性分析與控制的系統，包括一臺計算機C，機器人包含驅動系統、傳動系統和執行機構，所述執行機構包含至少一個末端操作臂，執行機構用于抓取負載。其特征在于：在計算機C內設建模模塊B1和分析模塊B2。在計算機C與機器人之間設有信號分析系統B5、檢測模塊B4與控制模塊B3。其中，計算機C的接收端與信號分析系統B5的輸出端相連。信號分析系統B5的接收端與檢測模塊B4的輸出端相連接。計算機C的輸出端與控制模塊B3的接收端相連。

控制模塊B3的輸出端與機器人的驅動系統相連接，檢測模塊B4與機器人的執行機構相連接。

建模模塊B1負責建立機器人虛擬樣機模型，生成機器人虛擬樣機模型的配置文件和模型文件，得到在仿真條件下機器人的執行機構的動態特性。

檢測模塊B4負責將機器人的監測信號經信號分析系統B5傳遞至計算機C。對機器人的監測信號包括，負載的空間位置信息、負載的重量信息、機器人運動過程中的振動信息。信號分析系統B5負責對檢測模塊B4獲得的檢測信號進行調制處理，并傳遞給計算機C。

分析模塊B2負責分析計算機C輸入的數據、建模模塊B1得到的在仿真條件下執行機構的動態特性，并確定機器人的驅動系統的啟動特性、執行機構的運動軌跡，并將該結果傳遞至控制模塊B3。

控制模塊B3負責將分析模塊B2獲得的機器人的驅動系統的啟動特性、執行機構的運動軌跡轉化成控制指令，并傳遞給機器人的驅動系統進行執行。

利用本發明所述的機器人耦合動態特性分析與控制的系統的控制方法，包括以下步驟：

步驟a：將機器人的動能、磁場能和勢能視為一個整體的系統，構建該系統的拉格朗日函數，確定該系統的耦合動力學方程：

式中，U表示系統的拉格朗日函數，F_h表示系統的耗散函數，r_k為廣義坐標，Q_k表示系統的非保守廣義力。

步驟b：在建模模塊B1中建立機器人的三維模型和虛擬樣機模型。

步驟c：在建模模塊B1中生成配置文件和模型文件。

根據步驟a確定的系統的耦合動力學方程和建模模塊B1生成的配置文件和模型文件，在仿真求解子模塊B13中建立可對系統不同物理場耦合參數進行聯合仿真的聯合仿真虛擬實驗模型。

步驟d：在仿真求解子模塊B13中設置聯合仿真虛擬實驗模型的仿真條件，得到仿真條件下執行機構的動態特性。

步驟e：向由步驟d獲得的聯合仿真虛擬實驗模型輸入仿真條件。仿真條件包括機器人的負載重量以及驅動系統的輸出位移、轉速或/和加速度，獲得對應仿真條件下使得執行機構動態性能最優的驅動系統的啟動特性和執行機構的運動軌跡。

步驟f：通過檢測模塊B4檢測機器人的負載的空間位置和姿態，經計算機C反饋到分析模塊B2，確定抓取姿態。

步驟g：通過控制模塊B3將由步驟e獲得的驅動系統的啟動特性、執行機構的運動軌跡和抓取姿態轉換成控制指令，經控制模塊B3的運動控制器發給機器人的驅動系統。

步驟h：分析模塊B2進行載荷分析，判斷負載重量是否超出承載范圍：

如果負載的重量超出承載范圍，則發出報警信號，提示重新調整抓取操作。

如果負載的重量未超出承載范圍，則驅動系統執行步驟g確定的控制指令。

隨后，分析模塊B2通過檢測模塊B4的檢測結果，向控制模塊B3發出控制指令，對機器人的執行機構進行反饋控制，實現末端執行器的振動抑制。

為了更進一步地解釋本發明的分析與控制系統、控制方法，現換一角度闡述如下：本發明的分析與控制系統，包括建模模塊、分析模塊、控制模塊、檢測模塊、信號分析系統和計算機，

建模模塊包括三維建模子模塊、Adams虛擬樣機模型子模塊和Mtalab/Simulink子模塊，三維建模子模塊的輸出接口連接Adams虛擬樣機模型子模塊的輸入接口，Adams虛擬樣機模型子模塊的輸出接口連接Mtalab/Simulink子模塊的輸入接口，Mtalab/Simulink子模塊的結果輸出到分析模塊，分析模塊的結果輸出給控制模塊。

分析模塊包括抓取姿態分析、載荷分析和動態特性分析。

控制模塊包括運動控制器和抑振控制器，運動控制器使機器人執行機構按照指定的軌跡和運動特征執行操作。抑振控制器對機器人執行機構的運動軌跡和運動特征進行反饋控制，實現末端執行器的振動抑制。

檢測模塊包括視覺傳感器、載荷傳感器和三軸加速度傳感器，視覺傳感器用于檢測負載的空間位置并輸入給信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行抓取姿態分析，抓取姿態分析的結果輸出給控制模塊的運動控制器。載荷傳感器用于檢測負載的重量并輸入給信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行載荷分析，載荷分析的結果輸出給控制模塊的運動控制器。三軸加速度傳感器用于檢測機器人運動過程中的振動信號并輸入給信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行動態特性分析，動態特性分析的結果輸出給控制模塊的抑振控制器。

所述的視覺傳感器、載荷傳感器和三軸加速度傳感器均安裝在機器人的末端執行器上。

所述的機器人采用電機驅動，驅動系統的電磁參數與力學參數相互作用，形成系統的機電耦合。傳動系統的傳動關節具有柔性，存在剛柔耦合。運動過程中，末端關節臂產生彈性振動。

本發明利用上述系統的一種機器人耦合動態特性分析與控制的方法，包括以下步驟：

步驟a)將機器人劃分為驅動系統、傳動系統和執行機構，考慮驅動系統的電磁參數與力學參數的相互作用，即系統的機電耦合，確定驅動系統的動能E_k1和磁場能W_m。考慮傳動系統的剛柔耦合作用，將傳動系統的傳動關節等效為線性彈簧和扭轉彈簧，確定傳動系統的彈性勢能E_p1。考慮執行機構的末端操作臂在運動過程中產生的彈性振動，確定執行機構的動能E_k2和末端操作臂彈性振動產生的勢能E_p2，所述的執行機構的動能E_k2包括執行機構本體的動能、負載的動能和末端操作臂彈性振動產生的動能。基于機電動力學分析方法，得到系統的耦合動力學方程。

步驟b)在建模模塊的三維建模子模塊中建立機器人的三維模型，并將建立的三維模型導入到Adams虛擬樣機模型子模塊中，對三維模型進行簡化處理，添加材料屬性和傳動系統的剛柔耦合等約束特征，建立機器人虛擬樣機模型。

步驟c)在Adams虛擬樣機模型子模塊中啟動Adams/control模塊，完成加載設置，根據步驟(a)確定的驅動系統與執行機構之間的耦合關系，定義機器人虛擬樣機模型的輸入狀態變量和輸出狀態變量，導出控制參數，生成配置文件和模型文件。

根據步驟(a)確定的系統的耦合動力學方程，在Mtalab/Simulink子模塊中建立系統耦合動力學仿真模型，并執行生成的配置文件，嵌入Adams_plant函數，此時系統耦合動力學仿真模型的輸出即為機器人虛擬樣機模型的輸入狀態變量。

步驟d)在Mtalab/Simulink子模塊中建立的系統耦合動力學仿真模型中設置仿真條件，進行聯合仿真虛擬實驗，通過分析模塊進行動態特性分析，得到不同仿真條件下執行機構的動態特性。在分析模塊中導出至少兩種仿真條件下的聯合仿真虛擬實驗結果，并與步驟(a)的耦合動力學方程仿真結果進行對比，驗證所建耦合動力學方程的正確性。

步驟e)在步驟(d)建立的系統耦合動力學仿真模型中，設置負載重量以及驅動系統的輸出位移、轉速或加速度為某一值時，分析驅動系統不同啟動特性、執行機構不同運動軌跡下末端執行器的振動位移、速度或加速度，設置動態性能優化目標函數，并根據優化目標函數確定系統動態性能最優的驅動系統的啟動特性和執行機構的運動軌跡。

步驟f)在執行機構執行任務時，通過視覺傳感器檢測負載的空間位置和姿態，并輸入信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行抓取姿態分析，確定抓取姿態。

步驟g)綜合以上步驟的分析結果，通過控制模塊的運動控制器發出控制指令給機器人的驅動系統。

步驟h)根據確定的抓取姿態，執行機構抓取負載時，首先通過載荷傳感器檢測負載的重量并輸入信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行載荷分析，判斷負載重量是否超出承載范圍，如果負載的重量超出承載范圍，發出報警信號，提示重新調整抓取操作。當滿足正常抓取后，按照確定的驅動系統的啟動特性和執行機構的運動軌跡，通過運動控制器發出控制指令給驅動系統，使執行機構按照指定的軌跡和運動特征執行運動。在執行機構執行任務的過程中，通過三軸加速度傳感器檢測末端關節臂的振動位移、速度或加速度，測試數據輸出給信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行動態特性分析，動態特性分析的結果輸入控制模塊的抑振控制器，通過抑振控制器發出控制指令給機器人的驅動系統，對執行機構的運動軌跡和運動特征進行反饋控制，抑制末端關節臂的振動位移、速度或加速度，實現末端執行器的振動抑制。

所述的步驟(a)中的耦合動力學方程包含系統的機電耦合和剛柔耦合，含有系統的結構參數、電磁參數和性能參數，通過以下方式實現：

根據驅動系統的動能E_k1、執行機構的動能E_k2，確定系統的總動能E_k。根據傳動系統的彈性勢能E_p1和末端操作臂彈性振動產生的勢能E_p2，確定系統的總勢能E_p。結合驅動系統的磁場能W_m，確定系統的拉格朗日函數U，得到系統的拉格朗日方程：

式中，F_h表示系統耗散函數，r_k為廣義坐標，Q_k表示系統非保守廣義力。

所述的系統耗散F_h包括電磁系統耗散和機械系統耗散。

所述的系統廣義坐標r_k選取電磁系統的運動參數和機械系統的運動參數。

所述的系統非保守廣義力Q_k主要考慮系統的摩擦力作用。

所述的步驟(c)中機器人虛擬樣機模型的輸入狀態變量為位移、轉速或加速度，輸出狀態變量為末端執行器的振動位移、速度或加速度。

所述的步驟(d)中的仿真條件包括負載重量，執行機構的運動軌跡，驅動系統的輸出位移、轉速或加速度，以及驅動系統的啟動特性。所述的驅動系統的啟動特性包括啟動頻率特性和啟動加速特性。

所述的步驟(e)中的動態性能優化目標函數為執行機構的振動能量最小。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明能夠考慮機器人系統中存在的耦合因素，動態特性分析結果精度高，能有效避免因忽略耦合因素所造成的誤差甚至錯誤的問題，有利于機器人系統的綜合分析和集成化設計。本發明基于系統的模塊化，易于實現，操作簡單，避免了復雜的理論建模計算過程，降低了分析難度，可有效避免因大量計算求解而容易出錯的問題。本發明能夠對機器人運動過程中的振動信號進行監測反饋，可實現系統耦合動態特性的反饋控制，且不使用智能材料，從而簡化了系統的結構，降低了成本。尤其體現在如下方面：

(1)本發明提供了硬件系統，實現了對機器人耦合動態特性的分析與控制。該系統涵蓋了現有機器人分析平臺所缺失的對子系統之間的耦合作用——尤其是驅動系統本身的機電耦合因素，對動力學特性的影響。本發明極大降低了分析的結果所存在的誤差甚至錯誤，提高了整體系統的設計結果和控制效果的精度。本發明克服了現有分析方法所通常采用理論建模計算而導致的計算過程難度較大，耗時耗力，易于出錯的問題。

(2)本發明避免使用智能材料形狀記憶合金而導致的成本高、適用范圍窄(對于剛度較高的機器人關節臂而言，難以在其表面張貼微小柔軟的智能材料使其產生變形)等問題。

(3)本發明能夠考慮機器人系統中存在的耦合因素，尤其是驅動系統的機電耦合因素和傳動系統的剛柔耦合因素，能夠將機器人的整體系統進行綜合，精確分析機器人系統的耦合動態特性，可有效避免現有技術中將各組成部件單獨建模分析而忽略各自耦合因素所造成的誤差甚至錯誤的問題。

(4)本發明的分析方法綜合了機器人系統的電磁能和機械能，能夠用于揭示系統不同物理場之間的耦合規律，可指導機器人系統的集成設計，而傳統的分析方法將不同物理場分開，難以有效實現系統的集成設計。

(5)本發明通過建模模塊中的三維建模子模塊、Adams虛擬樣機模型子模塊和Mtalab/Simulink子模塊建立系統的耦合動力學仿真模型，分析過程是基于系統的模塊化，易于實現，操作簡單，避免了復雜的理論建模計算過程，降低了分析難度，可有效避免因大量計算求解而容易出錯的問題。同時，本發明的分析模塊能夠直接給出系統不同條件與動態特性之間的關系，有利于系統的綜合設計分析，實現系統的可視化操作。

(6)本發明的分析過程采用了不同模塊之間的聯合仿真虛擬實驗方法，可避免通常采用不同的軟件單獨分析，然后再進行綜合計算的復雜過程，只需設定實驗條件便能直接得到樣機模型的輸出結果，整個過程在一個界面中實現，因而操作簡單，簡化了操作步驟。

(7)本發明通過驅動系統的啟動特性和執行機構的運動軌跡規劃，實現執行機構的動態特性優化和末端操作臂的振動抑制，解決了高剛度機器人關節臂的振動抑制問題，且在控制過程中沒有使用智能材料如壓電驅動器，簡化了系統的結構，有效降低了成本。同時本發明的系統能夠對機器人運動過程中的振動信號進行監測反饋，可實現系統耦合動態特性的反饋控制。

綜上所述，本發明的動態特性分析結果精度高，能有效避免現有技術因忽略耦合因素所造成的誤差甚至錯誤的問題。有利于機器人系統的綜合分析和集成化設計，實現系統的可視化操作。本發明基于系統的模塊化，易于實現，操作簡單，避免了復雜的理論建模計算過程，降低了分析難度，可有效避免因大量計算求解而容易出錯的問題。本發明可實現機器人操作過程中振動的反饋控制，且不使用智能材料，從而簡化了系統的結構，降低了成本。

附圖說明

圖1為本發明的結構框圖。

圖2為本發明所述的傳動系統的模型簡圖。

圖3為本發明所述的機器人耦合動態特性分析及控制方法的流程圖。

圖4為本發明的使用狀態示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施例做進一步說明：

參見圖1，一種機器人耦合動態特性的分析與控制系統，包括一臺計算機C，機器人包含驅動系統、傳動系統和執行機構，所述執行機構包含至少一個末端操作臂，執行機構用于抓取負載。其特征在于：在計算機C內設建模模塊B1和分析模塊B2。在計算機C與機器人之間設有信號分析系統B5、檢測模塊B4與控制模塊B3。其中，計算機C的接收端與信號分析系統B5的輸出端相連。信號分析系統B5的接收端與檢測模塊B4的輸出端相連接。計算機C的輸出端與控制模塊B3的接收端相連。

控制模塊B3的輸出端與機器人的驅動系統相連接，檢測模塊B4與機器人的執行機構相連接。

建模模塊B1負責建立機器人虛擬樣機模型，生成機器人虛擬樣機模型的配置文件和模型文件，得到在仿真條件下機器人的執行機構的動態特性。

檢測模塊B4負責將機器人的監測信號經信號分析系統B5傳遞至計算機C。對機器人的監測信號包括，負載的空間位置信息、負載的重量信息、機器人運動過程中的振動信息。信號分析系統B5負責對檢測模塊B4獲得的檢測信號進行調制處理，并傳遞給計算機C。

分析模塊B2負責分析計算機C輸入的數據、建模模塊B1得到的在仿真條件下執行機構的動態特性，并確定機器人的驅動系統的啟動特性、執行機構的運動軌跡，并將該結果傳遞至控制模塊B3。

控制模塊B3負責將分析模塊B2獲得的機器人的驅動系統的啟動特性、執行機構的運動軌跡轉化成控制指令，并傳遞給機器人的驅動系統進行執行。

進一步說，建模模塊B1包括三維建模子模塊B11、虛擬樣機子模塊B12和仿真求解子模塊B13。其中，三維建模子模塊B11負責建立機器人的三維模型，并將該三維模型輸入至虛擬樣機子模塊B12。虛擬樣機子模塊B12負責將三維建模子模塊B11建立的機器人的三維模型進行簡化，并為簡化后的三維模型添加剛柔耦合約束條件，獲得配置文件和模型文件。隨后將配置文件和模型文件輸入至仿真求解子模塊B13。仿真求解子模塊B13負責建立機器人的動力學仿真模型，執行虛擬樣機子模塊B12生成的配置文件和模型文件，得到在仿真條件下機器人的執行機構的動態特性。

分析模塊B2包括抓取姿態分析B21、載荷分析B22和動態特性分析B23。其中，抓取姿態分析B21根據檢測模塊B4檢測到的負載的空間位置，確定執行機構的最佳的抓取姿態，分析的結果輸出給控制模塊B3。載荷分析B22根據檢測模塊B4檢測到的負載載荷，判斷負載重量是否超出執行機構的承載范圍。動態特性分析B23對檢測模塊B4檢測到的振動信號進行分析，分析的結果輸入控制模塊。

控制模塊B3包括運動控制器B31和抑振控制器B32，其中，運動控制器B31使機器人執行機構根據分析模塊B2確定的執行機構的運動軌跡和運動特征執行操作。抑振控制器B32根據檢測模塊B4獲得的振動信號，對機器人執行機構的運動軌跡和運動特征進行反饋控制，使機器人執行機構在確定的運動軌跡和運動特征下執行操作，并根據控制算法對偏差進行糾正，實現末端執行器的振動抑制。

檢測模塊B4包括視覺傳感器B41、載荷傳感器B42和三軸加速度傳感器B43，其中，視覺傳感器B41用于檢測機器人負載的空間位置并輸入給信號分析系統B5，經計算機C反饋到分析模塊B2進行抓取姿態分析，抓取姿態分析的結果輸出給控制模塊B3的運動控制器B31。載荷傳感器B42用于檢測機器人負載的重量并輸入給信號分析系統B5，經計算機C反饋到分析模塊B2進行載荷分析，載荷分析的結果輸出給控制模塊B3的運動控制器B31。三軸加速度傳感器B43用于檢測機器人運動過程中的振動信號并輸入給信號分析系B5統，經計算機C反饋到分析模塊B2進行動態特性分析，動態特性分析的結果輸出給控制模塊B3的抑振控制器B32。

所述的視覺傳感器B41、載荷傳感器B42和三軸加速度傳感器B43均安裝在機器人的末端執行器上。

信號分析系統B5負責獲取視覺傳感器B41、載荷傳感器B42和三軸加速度傳感器B43的檢測信號，并輸出給計算機C。

進一步說，所述的機器人的驅動系統采用電機驅動，驅動系統的電磁參數與力學參數相互耦合，形成機器人系統的機電耦合。

機器人的傳動系統包含傳動關節和末端關節臂。傳動關節具有柔性，存在剛柔耦合。在運動過程中，末端關節臂存在彈性振動。

參見圖3.利用本發明任一所述的機器人耦合動態特性分析與控制的系統的控制方法，包括以下步驟：

步驟a：將機器人的動能、磁場能和勢能視為一個整體的系統，構建該系統的拉格朗日函數，確定該系統的耦合動力學方程：

式中，U表示系統的拉格朗日函數，F_h表示系統的耗散函數，r_k為廣義坐標，Q_k表示系統的非保守廣義力。

步驟b：在建模模塊B1中建立機器人的三維模型和虛擬樣機模型。

步驟c：在建模模塊B1中生成配置文件和模型文件。

根據步驟a確定的系統的耦合動力學方程和建模模塊B1生成的配置文件和模型文件，在仿真求解子模塊B13中建立可對系統不同物理場耦合參數進行聯合仿真的聯合仿真虛擬實驗模型。

步驟d：在仿真求解子模塊B13中設置聯合仿真虛擬實驗模型的仿真條件，得到仿真條件下執行機構的動態特性。

步驟e：向由步驟d獲得的聯合仿真虛擬實驗模型輸入仿真條件。仿真條件包括機器人的負載重量以及驅動系統的輸出位移、轉速或/和加速度，獲得對應仿真條件下使得執行機構動態性能最優的驅動系統的啟動特性和執行機構的運動軌跡。

步驟f：通過檢測模塊B4檢測機器人的負載的空間位置和姿態，經計算機C反饋到分析模塊B2，確定抓取姿態。

步驟g：通過控制模塊B3將由步驟e獲得的驅動系統的啟動特性、執行機構的運動軌跡和抓取姿態轉換成控制指令，經控制模塊B3的運動控制器發給機器人的驅動系統。

步驟h：分析模塊B2進行載荷分析，判斷負載重量是否超出承載范圍：

如果負載的重量超出承載范圍，則發出報警信號，提示重新調整抓取操作。

如果負載的重量未超出承載范圍，則驅動系統執行步驟g確定的控制指令。

隨后，分析模塊B2通過檢測模塊B4的檢測結果，向控制模塊B3發出控制指令，對機器人的執行機構進行反饋控制，實現末端執行器的振動抑制。

進一步說，利用機器人耦合動態特性分析與控制的系統的控制方法，具體步驟如下：

(a)將機器人劃分為驅動系統、傳動系統和執行機構，驅動系統的參數有2組：驅動系統的動能E_k1和驅動系統的磁場能W_m。傳動系統的參數有1組：傳動系統的彈性勢能E_p1。執行機構的參數有2組：執行機構的動能E_k2和末端操作臂彈性振動產生的勢能E_p2。

所述的執行機構的動能E_k2由執行機構本體的動能、負載的動能和末端操作臂彈性振動產生的動能組成。

根據驅動系統的動能E_k1、執行機構的動能E_k2，確定系統的總動能E_k＝E_k1+E_k2。根據傳動系統的彈性勢能E_p1和末端操作臂彈性振動產生的勢能E_p2，確定系統的總勢能E_p＝E_p1+E_p2。系統的總動能E_k、系統的總勢能E_p和驅動系統的磁場能W_m共同確定系統的拉格朗日函數U＝E_k-E_p+W_m，得到系統的拉格朗日方程：

所述的系統耗散F_h包括電磁系統耗散和機械系統耗散。

所述的系統廣義坐標r_k選取電磁系統的運動參數和機械系統的運動參數。

所述的系統非保守廣義力Q_k為系統的摩擦力作用。

(b)在建模模塊B1的三維建模子模塊B11中建立機器人的三維模型，并將建立的三維模型導入到虛擬樣機子模塊B12中，對三維模型進行簡化處理，添加材料屬性和傳動系統的剛柔耦合約束特征，建立機器人虛擬樣機模型。

(c)虛擬樣機子模塊B12采用的軟件為Adams。在虛擬樣機子模塊B12中啟動Adams/control模塊，完成加載設置，根據步驟(a)確定的驅動系統與執行機構之間的耦合關系，定義機器人虛擬樣機模型的輸入狀態變量和輸出狀態變量，導出控制參數，生成配置文件和模型文件。

仿真求解子模塊B1采用的軟件為Mtalab。根據步驟(a)確定的系統的耦合動力學方程，在仿真求解子模塊B13中用Mtalab/Simulink建立系統聯合仿真虛擬實驗模型，并執行生成的配置文件，嵌入虛擬樣機子模塊B12中的Adams_plant函數，此時系統聯合仿真虛擬實驗模型的輸出即為機器人虛擬樣機模型的輸入狀態變量。

(d)在仿真求解子模塊B13中建立的聯合仿真虛擬實驗模型中設置仿真條件，進行聯合仿真虛擬實驗，通過分析模塊進行動態特性分析，得到至少兩種不同仿真條件下執行機構的動態特性。

(e)在步驟(c)建立的聯合仿真虛擬實驗模型中，設置負載重量以及驅動系統的輸出位移、轉速或加速度為某一值時，分析驅動系統不同啟動特性、執行機構不同運動軌跡下末端執行器的振動位移、速度或加速度，設置動態性能優化目標函數，并根據動態性能優化目標函數確定使得系統動態性能最優的驅動系統的啟動特性和執行機構的運動軌跡。

(f)在執行機構執行任務時，通過視覺傳感器檢測負載的空間位置和姿態，并輸入信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊B2進行抓取姿態分析，確定抓取姿態。

(g)綜合以上步驟的分析結果，通過控制模塊B3將獲得的驅動系統的啟動特性、執行機構的運動軌跡和抓取姿態轉換成控制指令，通過控制模塊B3的運動控制器發出控制指令給機器人的驅動系統。

(h)根據確定的抓取姿態，執行機構抓取負載時，首先通過載荷傳感器檢測負載的重量并輸入信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行載荷分析，判斷負載重量是否超出承載范圍，如果負載的重量超出承載范圍，發出報警信號，提示重新調整抓取操作。當滿足正常抓取后，按照確定的驅動系統的啟動特性和執行機構的運動軌跡，通過運動控制器發出控制指令給驅動系統，使執行機構按照指定的軌跡和運動特征執行運動。在執行機構執行任務的過程中，通過三軸加速度傳感器檢測末端關節臂的振動位移、速度或加速度，測試數據輸出給信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行動態特性分析，動態特性分析的結果輸入控制模塊的抑振控制器，通過抑振控制器發出控制指令給機器人的驅動系統，對執行機構的運動軌跡和運動特征進行反饋控制，抑制末端關節臂的振動位移、速度或加速度，實現末端執行器的振動抑制。

進一步說，所述的步驟(c)中機器人虛擬樣機模型的輸入狀態變量為位移、轉速或加速度，輸出狀態變量為末端執行器的振動位移、速度或加速度。

進一步說，所述的步驟(d)中的仿真條件包括負載重量，執行機構的運動軌跡，驅動系統的輸出位移、轉速或加速度，以及驅動系統的啟動特性。所述的驅動系統的啟動特性包括啟動頻率特性和啟動加速特性。

進一步說，所述的步驟(e)中的動態性能優化目標函數為執行機構的振動能量最小。

本次的具體實施是在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍并不僅限于下列的實施例。

實施例1

如圖4所示，本發明的實施例選取四自由度關節機器人為例，以此來敘述本發明的機器人耦合動態特性分析與控制的系統及方法。

本實施例中，選取的四自由度關節機器人的驅動系統采用電機1驅動，驅動系統的電磁參數與力學參數存在相互作用，形成系統的機電耦合。傳動系統2采用齒輪或其他傳遞關節，傳遞過程中存在剛柔耦合作用。執行機構3的末端關節臂3-1上固定末端執行器4，末端執行器4用于抓取負載8，在操作過程中或者運動轉換過程中以及突然停止時，末端關節臂3-1產生彈性振動，影響與其固定在一起的末端執行器4的操作精度和穩定性，為了保證末端執行器4的操作精度和穩定性，就要對機器人系統的動態特性進行分析，而彈性振動的產生及特征與系統的機電耦合和剛柔耦合因素之間存在必然的聯系，因此在動態特性分析的過程中就要對耦合因素予以考慮。

如圖1所示，本發明的機器人耦合動態特性分析與控制的系統，包括建模模塊、分析模塊、控制模塊、檢測模塊、信號分析系統和計算機。

建模模塊包括三維建模子模塊、Adams虛擬樣機模型子模塊和Mtalab/Simulink子模塊，三維建模子模塊的輸出接口連接Adams虛擬樣機模型子模塊的輸入接口，Adams虛擬樣機模型子模塊的輸出接口連接Mtalab/Simulink子模塊的輸入接口，Mtalab/Simulink子模塊的結果輸出到分析模塊，分析模塊的結果輸出給控制模塊。

分析模塊包括抓取姿態分析、載荷分析和動態特性分析。

控制模塊包括運動控制器和抑振控制器，運動控制器使機器人執行機構按照指定的軌跡和運動特征執行操作。抑振控制器對機器人執行機構的運動軌跡和運動特征進行反饋控制，實現末端執行器的振動抑制。

參見圖4，檢測模塊包括視覺傳感器5、載荷傳感器6和三軸加速度傳感器7，視覺傳感器5用于檢測負載8的空間位置并輸入給信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行抓取姿態分析，抓取姿態分析的結果輸出給控制模塊的運動控制器。載荷傳感器用于檢測負載(8)的重量并輸入給信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行載荷分析，載荷分析的結果輸出給控制模塊的運動控制器。三軸加速度傳感器用于檢測機器人運動過程中的振動信號并輸入給信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行動態特性分析，動態特性分析的結果輸出給控制模塊的抑振控制器。

所述的視覺傳感器5、載荷傳感器6和三軸加速度傳感器安裝在末端執行器4上。

結合圖2、圖3和4，對本發明的機器人耦合動態特性分析與控制的方法進行敘述，主要包括以下步驟：

(a)將機器人劃分為驅動系統、傳動系統和執行機構，考慮驅動系統電機1的電磁參數與力學參數的相互作用，即系統的機電耦合，結合電機學知識，確定驅動系統的動能E_k1和磁場能W_m。

考慮傳動系統存在的剛柔耦合作用，如圖2所示，將傳動系統視為“子結構1”2-1、“子結構2”2-2與傳動關節的組合，傳動關節等效為線性彈簧k和扭轉彈簧kθ，通過運動受力分析，從而確定傳動系統2的彈性勢能E_p1。

考慮執行機構3的末端操作臂3-1在運動過程中產生的彈性振動，確定執行機構3的動能E_k2和末端操作臂3-1彈性振動產生的勢能E_p2，所述的執行機構3的動能E_k2包括執行機構3本體的動能、負載8的動能和末端操作臂3-1彈性振動產生的動能。

根據驅動系統1的動能E_k1、執行機構3的動能E_k2，確定系統的總動能E_k。根據傳動系統2的彈性勢能E_p1和末端操作臂3-1彈性振動產生的勢能E_p2，確定系統的總勢能E_p。結合驅動系統1的磁場能W_m，確定系統的拉格朗日函數U＝E_k-E_p+W_m，基于機電動力學分析方法，得到系統的拉格朗日方程：

式中，F_h表示系統耗散函數，r_k為廣義坐標，Q_k表示系統非保守廣義力。所述的系統耗散F_h包括電磁系統耗散和機械系統耗散。所述的系統廣義坐標r_k選取電磁系統的運動參數和機械系統的運動參數。所述的系統非保守廣義力Q_k主要考慮系統的摩擦力作用。

可以看出，所得系統的耦合動力學方程包含了系統的機電耦合和剛柔耦合因素，同時含有系統的結構參數、電磁參數和性能參數，從而可用于系統多耦合因素下系統動態特性的分析。

(b)在建模模塊的三維建模子模塊中建立四自由度關節機器人的三維模型，并將建立的三維模型導入到Adams虛擬樣機模型子模塊中，對三維模型進行簡化處理，添加材料屬性和約束特征(如傳動系統的剛柔耦合特征)，建立四自由度關節機器人的虛擬樣機模型。

(c)在Adams虛擬樣機模型子模塊中啟動Adams/control模塊，完成加載設置，根據步驟(a)確定的驅動系統1與執行機構3之間的耦合關系，定義四自由度關節機器人虛擬樣機模型的輸入狀態變量和輸出狀態變量，導出控制參數，生成配置文件和模型文件。

所述的機器人虛擬樣機模型的輸入狀態變量可以為位移、轉速或加速度，輸出狀態變量可以為末端執行器4的振動位移、速度或加速度。

根據步驟(a)確定的系統的耦合動力學方程，在Mtalab/Simulink子模塊中建立系統耦合動力學仿真模型，并執行生成的配置文件，嵌入Adams_plant函數，此時系統耦合動力學仿真模型的輸出即為四自由度關節機器人虛擬樣機模型的輸入狀態變量。

(d)在Mtalab/Simulink子模塊中建立的系統耦合動力學仿真模型中設置仿真條件(包括負載重量，執行機構的運動軌跡，驅動系統的輸出位移、轉速或加速度，以及驅動系統的啟動頻率特性和啟動加速特性，進行聯合仿真虛擬實驗，通過分析模塊進行動態特性分析，得到不同仿真條件下執行機構3的動態特性。在分析模塊中導出3種仿真條件下的聯合仿真虛擬實驗結果，并與步驟(a)的耦合動力學方程仿真結果進行對比，驗證所建耦合動力學方程的正確性。

(e)在步驟(d)建立的系統耦合動力學仿真模型中，設置負載8的重量以及驅動系統1的輸出位移、轉速或加速度為某一值時，分析驅動系統1不同啟動特性、執行機構3不同運動軌跡下末端執行器4的振動位移、速度或加速度，以執行機構3的振動能量最小為動態性能優化目標函數，確定使系統的動態性能最優的驅動系統1的啟動特性和執行機構3的運動軌跡。

(f)在執行機構3執行任務時，通過視覺傳感器5檢測負載8的空間位置和姿態，并輸入信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行抓取姿態分析，確定抓取姿態。

(g)綜合以上步驟的分析結果，通過控制模塊的運動控制器發出控制指令給機器人的驅動系統1。

(h)根據確定的抓取姿態執行機構3抓取負載8時，首先通過載荷傳感器6檢測負載8的重量并輸入信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行載荷分析，判斷負載8的重量是否超出承載范圍，如果負載8的重量超出承載范圍，發出報警信號，提示重新調整抓取操作。當滿足正常抓取后，按照確定的驅動系統1啟動特性和執行機構3運動軌跡，通過運動控制器發出控制指令給驅動系統1，使執行機構3按照指定的軌跡和運動特征執行運動。在執行機構3執行任務的過程中，通過三軸加速度傳感器7檢測末端關節臂3-1的振動位移、速度或加速度，測試數據輸出給信號分析系統，經計算機反饋到分析模塊進行動態特性分析，動態特性分析的結果反饋輸入到控制模塊的抑振控制器，通過抑振控制器發出控制指令給驅動系統1，對執行機構3的運動軌跡和運動特征進行反饋控制，抑制末端關節臂3-1的振動位移、速度或加速度，從而實現末端執行器4的振動抑制。