一种3-PRRU并联机器人的性能评价方法

一种3
‑
prru并联机器人的性能评价方法
技术领域
1.本发明涉及机器人技术，具体涉及一种3
‑
prru并联机器人的性能评价方法。


背景技术：

2.机器人末端件的速度，机器人的承载能力与刚度均是并联机器人的重要性能指标。速度被列为机器人结构的基本要求之一，承载能力决定了机器人的工作负荷能力，刚度影响了机器人的动态特性和定位精度。目前，在评价并联机器人的这三种性能大多用到全域最大/最小速度/承载能力/刚度评价指标以及全域速度/承载能力/刚度各向同性度等。并联机器人的某种结构构型一旦确定好之后，当选择的主动副不同，机器人的性能大相径庭。然而，现有评价指标存在一定的局限性，并不能全面准确地衡量3
‑
prru并联机器人性能的优劣，这就为多种不同主动副下3
‑
prru并联机器人的选择带来了困难。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种3
‑
prru并联机器人的性能评价方法。此3
‑
prru并联机器人的性能评价方法完善了并联机器人的性能指标评价体系，解决了现有指标无法对其性能做出更全面评价的问题。
4.本发明的目的通过以下的技术方案实现：本3
‑
prru并联机器人的性能评价方法，包括以下步骤：
5.s1、定义3
‑
prru并联机器人的全域速度性能评价指标，此全域速度性能评价指标包括全域最大速度方差评价指标和全域最小速度方差评价指标；
6.s2、定义3
‑
prru并联机器人的全域承载性能评价指标，此全域承载性能评价指标包括全域最大承载力方差评价指标和全域最小承载力方差评价指标；
7.s3、定义3
‑
prru并联机器人的全域刚度性能评价指标，此全域刚度性能评价指标包括全域最大刚度方差评价指标和全域最小刚度方差评价指标。
8.优选的，所述全域最大速度方差评价指标为：
[0009][0010]
所述全域最小速度方差评价指标为：
[0011][0012]
其中，||v
max
||和||v
min
||分别为机器人的最大速度评价指标和最小速度评价指标；η
vmax
和η
vmin
分别为全域最大速度评价指标和全域最小速度评价指标；w表示并联机器人的工作空间。
[0013]
优选的，所述全域最大承载力方差评价指标为：
[0014][0015]
所述全域最小承载力方差评价指标为：
[0016][0017]
其中，||f
max
||和||f
min
||分别为机器人的最大承载力评价指标和最小承载力评价指标；η
fmax
和η
fmin
分别为全域最大承载力评价指标和全域最小承载力评价指标。
[0018]
优选的，所述全域最大刚度方差评价指标为：
[0019][0020]
所述全域最小刚度方差评价指标为：
[0021][0022]
其中，||d
max
||和||d
min
||分别为机器人的最大刚度评价指标和最小刚度评价指标；η
dmax
和η
dmin
分别为全域最大刚度评价指标和全域最小刚度评价指标。
[0023]
优选的，在步骤s1之前需要求解3
‑
prru并联机器人的工作空间。
[0024]
本发明相对于现有技术具有如下的优点：本3
‑
prru并联机器人的性能评价方法更加准确地描述了3
‑
prru机器人的性能分布情况，克服了现有指标在分析并联机器人性能的局限性，评价方法解决了现有指标无法对并联机器人的上述三种性能做出更全面评价的问题，而且操作简便、直观易行。
附图说明
[0025]
图1是本发明的3
‑
prru并联机器人的结构示意图。
[0026]
图2是3
‑
prru并联机器人的工作空间。
[0027]
图3a是全域最大速度评价指标分布。
[0028]
图3b是全域最小速度评价指标分布。
[0029]
图3c是全域速度各向同性度分布。
[0030]
图4a是全域最大承载力评价指标分布。
[0031]
图4b是全域最小承载力评价指标分布。
[0032]
图4c是全域承载力各向同性度分布。
[0033]
图5a是全域最大刚度评价指标分布。
[0034]
图5b是全域最小刚度评价指标分布。
[0035]
图5c是全域刚度各向同性度分布。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0037]
如图1所示的3
‑
prru并联机器人的自由度为三维移动，其中p表示移动副，r表示转动副，u表示万向铰。当3个移动副为主动副时，该机器人可用3
‑
prru表示，当第一转动副和2个移动副为主动副时，该机器人可用prru+2prru表示，当3个第一转动副为主动副时，该机器人可用3
‑
prru表示。即基于上述3种不同的输入选择，本实施例中的3
‑
prru并联机器人可分为3
‑
prru机器人、prru+2prru机器人和3
‑
prru机器人。此三种机器人的工作空间基于蒙特卡洛法，再通过机器人的位置解得，如图2所示。
[0038]
如图1所示的3
‑
prru并联机器人的性能评价方法，包括以下步骤：
[0039]
s1、定义3
‑
prru并联机器人的全域速度性能评价指标，此全域速度性能评价指标包括全域最大速度方差评价指标和全域最小速度方差评价指标；所述全域最大速度方差评价指标为：
[0040][0041]
所述全域最小速度方差评价指标为：
[0042][0043]
其中，||v
max
||和||v
min
||分别为机器人的最大速度评价指标和最小速度评价指标；η
vmax
和η
vmin
分别为全域最大速度评价指标和全域最小速度评价指标；w表示并联机器人的工作空间。
[0044]
图3a～3c表示3种不同输入下3
‑
prru并联机器人的速度分布。其中，图3a是全域最大速度在整个工作空间内的变化情况。可以看出3
‑
prru机器人的最大速度评价指标在工作空间内始终保持恒定，prru+2prru机器人始终保持最大，且变化较剧烈，3
‑
prru机器人值最小且变化不大。图3b是全域最小速度在整个工作空间内的变化情况。可以看出3
‑
prru机器人的最小速度评价指标在工作空间内始终保持恒定且最大，prru+2prru机器人与3
‑
prru机器人的最小速度评价指标相差不多。图3c是全域速度各向同性度的变化情况。可以看出3
‑
prru机器人的各向同性度始终恒定，且数值最大；3
‑
prru机器人的各向同性度变化较剧烈；prru+2prru机器人的各向同性度最小，且变化幅度整体较缓。
[0045]
基于图3a～3c中的数据，再结合和
计算得到3
‑
prru机器人、prru+2prru机器人和3
‑
prru机器人的全域最大速度方差评价指标和全域最小速度方差评价指标如下表1：
[0046][0047]
表1
[0048]
全域最大速度方差评价指标和全域最小速度方差评价指标不但反映出机器人速度性能的分布均值，也同时反映出机器人的速度性能的变化幅度，从而更全面的评价机器人的速度性能的分布情况。若全域最大速度方差评价指标和全域最小速度方差评价指标的数值越小，说明机器人在工作空间内速度性能变化幅度越小，机器人性能相对优越。根据表1中可知，3
‑
prru机器人的全域最大速度方差评价指标和全域最小速度方差评价指标均为0，性能始终保持恒定；而prru+2prru机器人和3
‑
prru机器人的全域最小速度方差评价指标大相致相同，但前者的全域最大速度方差评价指标稍大于后者，因此，prru+2prru机器人的性能较不稳定。
[0049]
综上所述，prru+2prru机器人的速度指标变化幅度过大，速度性能较不稳定且各向同性度较差；3
‑
prru机器人的速度较小，且各向同性度波动较大；3
‑
prru机器人的速度性能始终保持恒定，且各向同性度最好。
[0050]
s2、定义3
‑
prru并联机器人的全域承载性能评价指标，此全域承载性能评价指标包括全域最大承载力方差评价指标和全域最小承载力方差评价指标；所述全域最大承载力方差评价指标为：
[0051][0052]
所述全域最小承载力方差评价指标为：
[0053][0054]
其中，||f
max
||和||f
min
||分别为机器人的最大承载力评价指标和最小承载力评价指标；η
fmax
和η
fmin
分别为全域最大承载力评价指标和全域最小承载力评价指标。
[0055]
图4a～4c表示3种不同输入下3
‑
prru并联机器人的承载力分布情况。其中，图4a是全域最大承载力评价指标变化分布。可以看出3
‑
prru机器人的最大承载力评价指标在工作空间内始终保持恒定；3
‑
prru机器人始终保持最大，且变化较剧烈；prru+2prru机器人居于
两者之间且变化较小。图4b是全域最小承载力在整个工作空间内的变化情况。可以看出3
‑
prru机器人的最小承载力评价指标在工作空间内始终保持恒定；prru+2prru机器人值最小且变化较小；3
‑
prru机器人的最小承载力评价指标虽然最大，但变化剧烈。图4c是全域承载力各向同性度的变化情况。可以看出3
‑
prru机器人的各向同性度始终恒定，且数值最大；3
‑
prru机器人的各向同性度变化较剧烈；prru+2prru机器人的各向同性度最小，且变化幅度整体较缓。
[0056]
基于图4a～4c中的数据，再结合和计算得到3
‑
prru机器人、prru+2prru机器人和3
‑
prru机器人的全域最大承载力方差评价指标和全域最小承载力方差评价指标如下表2：
[0057][0058]
表2
[0059]
全域最大承载力方差评价指标和全域最小承载力方差评价指标不但反映出机器人承载力的分布均值，也同时反映出机器人承载力性能的变化幅度，从而更全面的评价了机器人承载力性能的分布情况。若全域最大承载力方差评价指标和全域最小承载力方差评价指标越小，则说明机器人在工作空间内承载力性能变化幅度越小，机器人性能相对越优。由表2可知，3
‑
prru机器人的全域最大承载力方差评价指标和最小承载力方差评价指标的均值为零，性能始终保持恒定；prru+2prru机器人和3
‑
prru机器人相比，prru+2prru的全域最大承载力方差评价指标和全域最小承载力方差评价指标的值均小于3
‑
prru，因此，3
‑
prru机器人的性能较不稳定。
[0060]
综上所述，3
‑
prru机器人的承载力指标变化幅度过大，承载力性能较不稳定且各向同性度较差；prru+2prru机器人的承载力波动较小，但各向同性度较差；而3
‑
prru机器人的承载力性能始终保持恒定，且各向同性度最好。
[0061]
s3、定义3
‑
prru并联机器人的全域刚度性能评价指标，此全域刚度性能评价指标包括全域最大刚度方差评价指标和全域最小刚度方差评价指标。所述全域最大刚度方差评价指标为：
[0062]
[0063]
所述全域最小刚度方差评价指标为：
[0064][0065]
其中，||d
max
||和||d
min
||分别为机器人的最大刚度评价指标和最小刚度评价指标；η
dmax
和η
dmin
分别为全域最大刚度评价指标和全域最小刚度评价指标。
[0066]
图5a～5c表示3种不同输入下3
‑
prru并联机器人的刚度分布情况。其中，图5a是全域最大刚度评价指标分布。可以看出3
‑
prru机器人的最大刚度评价指标在工作空间内始终保持恒定；prru+2prru机器人始终保持最大，且变化较剧烈；3
‑
prru机器人最小。图5b表示全域最小刚度评价指标分布情况。可以看出3
‑
prru机器人的最小刚度评价指标在工作空间内始终保持恒定；prru+2prru机器人和3
‑
prru机器人的最小刚度评价指标值均较小且变化较剧烈。图5c是全域刚度各向同性度分布情况。可以看出3
‑
prru机器人的各向同性度始终恒定，且数值最大；3
‑
prru机器人的各向同性度变化较剧烈；prru+2prru机器人的各向同性度最小，且变化幅度整体较缓。
[0067]
基于图5a～5c中的数据，再结合和计算得到3
‑
prru机器人、prru+2prru机器人和3
‑
prru机器人的全域最大刚度方差评价指标和全域最小刚度方差评价指标如下表3：
[0068][0069]
表3
[0070]
全域最大刚度方差评价指标和全域最小刚度方差评价指标，不但反映出机器人刚度的分布均值，也同时反映出机器人刚度性能的变化幅度，从而更全面的评价了机器人刚度性能的分布情况。若全域最大刚度方差评价指标和全域最小刚度方差评价指标的数值越小，则说明机器人在工作空间内刚度性能变化幅度越小，机器人性能相对越好。由表3可知，3
‑
prru机器人的全域最大刚度方差评价指标和全域最小刚度方差评价指标的值均为零，性能始终保持恒定。而prru+2prru机器人和3
‑
prru机器人相比，前者的刚度性能变化幅度较大，故其性能较不稳定。
[0071]
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。