(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 202210699270.0 (22)申请日 2022.06.20 (71)申请人 上海大学 地址 201900 上海市宝山区上 大路99号 (72)发明人 宋韬　彭江涛　郭帅　李宪华　 李恒宇　崔国华　 (74)专利代理 机构 郑州翊博专利代理事务所 (普通合伙) 41155 专利代理师 周玉青 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种基于刚度性能优化的移动机械臂站位 规划方法 (57)摘要 本发明属于移动机械臂 技术领域， 具体涉及 一种基于刚度性能优化的移动机械臂站位规划 方法； 本发明根据建立的坐标系， 建立整个系统 的运动学模 型， 根据整个系统的运动学模型计算 移动平台相对作业任务的理论可达站位空间， 在 根据机械臂的逆运动学方程对理论可达站位空 间进行验证； 然后根据整个系统的力学模型提出 以机械臂末端沿Z轴方向的变形量为机械臂刚度 评价指标， 求出移动平台坐标系在墙体坐标系不 同位姿下的机械臂末端沿Z轴方向的变形量， 以 移动平台坐标系在墙体坐标系位姿下的机械臂 末端沿Z轴方向的最小变形量为最优站位； 本发 明的目的在于公开一种移动机械臂系在统执行 多种实际作业场景中为提高整体作业精度， 而提 出的基于刚度性能优化的移动机械臂站位规划 方法。 权利要求书3页 说明书16页 附图9页 CN 114888812 A 2022.08.12 CN 114888812 A 1.一种基于刚度性能优化的移动机 械臂站位规划方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： (1)建立坐标系： 确定移动平台坐标系、 机械臂基坐标系、 机械臂各连杆坐标系、 法兰坐 标系、 打印单元坐标系和墙 体坐标系； (2)根据步骤(1)建立的坐标系， 建立整个系 统的运动学模型， 根据整个系 统的运动学 模型及实际作业任务确定移动平台相对实际作业任务的可达站位空间； (3)根据步骤(1)建立的坐标系， 建立机械臂的力学模型： 已知机械臂末端所期望的运 动轨迹， 计算连杆构型、 连杆质量、 末端 载荷和各关节角速度的因素作用下的各关节驱动力 矩； (4)根据步骤(3)建立的机械臂的力学模型， 确定机械臂末端变形量作为机械臂刚度评 价指标； (5)根据步骤(4)得到的机械臂刚度评价指标做为优化目标， 以移动平台相对实际作 业 任务在可达站位空间内的站位做为设计变量， 建立单次作业的优化函数， 利用遗传算法进 行合理的站位优化。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述机械臂为六连杆机械臂， 包括第一连 杆、 第二连杆、 第三连杆、 第四连杆、 第五连杆和第六连杆， 根据改进的D H参数法分别确定机 械臂各连杆坐标系。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 步骤(2)中， 建立整个系统 的运动学模型的 步骤具体为： 首先根据机械臂各连杆的坐标系和机械臂各连杆的结构尺寸确定机械臂运动 学模型； 然后根据移动平台的尺寸、 机械臂安装在移动平台上 的位置和作业任务确定整个 系统的运动学模型， 即 式中： 为移动平台坐标系相对于机械臂基坐标系的齐次变换矩阵； 为打印工具坐 标系相对于法兰坐标系的齐次变换矩阵； 为打印工具坐标系相对墙体坐标系的齐次变 换矩阵； 为移动平台坐标系{M}相对墙体坐标系{W}的齐次变换矩阵； 为法兰坐标相对 于第六连杆坐标系的齐次变换矩阵； 为第六连杆坐标系相对机械臂基坐标系的齐次变 换矩阵； 其中， 第六连杆的坐标系相对机械臂基坐标系的齐次变换矩阵 由整个系统的运动学 模型求得， 为 根据机械臂运动学模型列 出机械臂的逆运动学方程， 根据机械臂的逆运动学方程校验 移动平台相对实际作业任务在可达站位空间内规划的某一站 位下， 判断机械臂的末端位姿 序列中是否各点均存在运动学逆解且 满足各轴关节角度限制。 4.根据权利要求3所述的方法， 其特征在于， 步骤(2)中， 所述根据整个系统 的运动学模 型及实际作业任务确定移动平台相对实际作业任务的可达站 位空间的具体过程为： 首先根 据机械臂运动学模型绘制 机械臂的可达工作 空间云图； 然后根据实际作业任务的尺寸、 机 械臂安装在移动平台上 的位置和机械臂末端打印工具的尺寸确定移动平台相对作业任务权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114888812 A 2的可达站位空间； 移动平台相对作业任务的可达站 位空间转化为移动平台坐标系在墙体坐 标系下的位姿： 式中： x,y为移动平台坐标系的原点在墙体坐标系下的位置， θ为移动平台坐标系相对 于墙体坐标系竖直方向Z轴的姿态旋转角度， r表示移动平台相对于作业任务的站 位空间的 最远距离 。 5.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 根据 所述机械臂运动学模型列 出机械臂的 逆运动学方程的具体步骤为： 首先根据机械臂运动学模型列出机械臂的正运动学方程， 然 后根据代数法进行机 械臂逆运动学求 解， 得机械臂逆运动学 方程： 式中： θ1、 θ2、 θ3、 θ4、 θ5、 θ6为各个关节的角度值， 为第一连杆坐标系相对机械臂基坐标 系的齐次变换矩阵， 为第二连杆坐标系相对第一连杆坐标系的齐次变换矩阵， 为第三 连杆坐标系相对第二连杆坐标系的齐次变换矩阵， 为第四连杆坐标系相对第三连杆坐标 系的齐次变换矩阵， 为第五连杆坐标系相对第六连杆坐标系的齐次变换矩阵， 为第六 连杆坐标系相对第五连杆坐标系的齐次变换矩阵， 为第六连杆坐标系相对机械臂基坐标 系的齐次变换矩阵： 6.根据权利要求5所述的方法， 其特征在于， 步骤(3)中所述机械臂力学模型的建立的 步骤具体为： 首先由外递推计算各连杆的速度与加速度， 再由牛顿 ‑欧拉公式计算出各连杆 的惯性力和力矩； 向内递推 计算各连杆相互作用的力和力矩， 以及各关节驱动力矩； 机械臂各连杆的惯性力矩： fj+fa＝m[(aj‑g)+α×bc+ω×(ω×bc)] 式中： m表示连杆质量； α 表示为角加速度； ω表示角速度； fj表达连杆i的作用力； fa表示 连杆i+1作用力； aj表示连杆j的线加速度； bc表示关节与连 杆质心的偏距； 机械臂各连杆的力矩： 式中 ： 是bc的反对称矩阵， 表示 的转置矩阵。 求得各关节绕转轴的驱动力矩：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114888812 A 3