一种直线伺服关节动态特性的仿真方法、系统、设备及介质

本发明属于机器人关节仿真，具体涉及一种直线伺服关节动态特性的仿真方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、直线伺服关节是机器人领域的核心驱动部件，其通过对伺服电机、传动机构、检测传感器的高度一体化集成设计，可直接输出高精度直线运动，摒弃了传统旋转伺服搭配转换机构的繁琐结构，具备结构紧凑、响应速度快、运动精度高、动态性能优异等突出优势。目前，该类关节已广泛应用于工业协作机器人、高速分拣机器人、人形仿生机器人以及极端环境特种作业机器人等高端装备领域，是保障机器人整机运动精度、响应速度、运行稳定性与负载适配能力的核心基础，其动态特性的优劣直接决定了机器人整机的作业性能与服役寿命。

2、当前，行业内获取直线伺服关节动态特性、验证其运动性能的技术手段主要分为三类，分别是实物物理试验、单一软件仿真以及简化模型仿真，但三种方式均存在明显的技术短板，难以精准还原关节真实工作状态。其中，物理试验需要加工实体样机、搭建专用测试平台，不仅样机研发、设备采购与试验运维成本高昂，试验流程繁琐、测试周期漫长，还无法适配产品早期的方案迭代与结构优化，难以快速验证不同结构、参数下的关节动态性能，严重制约了新品研发效率。

3、相较于物理试验，软件仿真具备低成本、高效率、可迭代的优势，但单一仿真软件存在功能性短板，无法完成全维度机电耦合仿真。动力学仿真软件adams侧重多体动力学仿真，但其伺服控制算法搭建、传动系统精细化建模能力不足，难以精准模拟电机驱动与传动配合的动态过程；而多领域系统建模仿真软件amesim擅长机电、液压传动系统建模，却存在多体动力学仿真模块精度低、刚体与柔性体运动模拟效果差的问题。因此单一软件均无法完整、精准刻画“伺服电机-传动机构-负载”一体化的机电耦合动态过程，仿真结果与实际工况偏差较大。

4、现阶段主流的联合仿真方法虽整合了多款软件的优势，但建模过程中普遍存在简化处理问题，大多采用线性模型、刚体模型开展仿真计算，将关节传动链理想化，默认传动系统无间隙、无摩擦、刚度无限大，完全忽略了实际工况中的非线性影响因素。而在真实工作场景中，直线伺服关节的传动间隙会引发运动回程误差，高速换向时产生碰撞冲击；接触面摩擦效应会导致低速运动爬行、轨迹跟踪误差突变；结构弹性刚度不足则会产生弹性变形与持续振动。这些非线性因素相互耦合、共同作用，是影响关节动态响应精度、降低运动稳定性、导致整机作业故障的关键核心，也是当前仿真技术与实际应用脱节的主要原因。

5、因此，本技术预期一种能够真实反映直线伺服关节在间隙、摩擦和刚度耦合影响下动态特性的联合仿真方法。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种直线伺服关节动态特性的仿真方法、系统、设备及介质，旨在系统性地将传动间隙、摩擦和刚度三种非线性因素统一嵌入到联合仿真模型中，实现对直线伺服关节在非线性因素影响下的动态特性的精确获取。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、在第一方面，本公开实施例提供一种直线伺服关节动态特性的仿真方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：在动力学仿真软件adams中建立直线伺服关节的多体动力学模型，在多领域系统建模仿真软件amesim中，基于直线伺服关节的实际工作原理建立包含伺服电机与控制模型的初始机电耦合系统级模型；

5、步骤s2：在所述初始机电耦合系统级模型中嵌入考虑非线性因素的传动链，得到优化机电耦合系统级模型，考虑非线性因素的传动链包括传动间隙模型、摩擦模型和/或刚度模型；

6、步骤s3：将所述多体动力学模型和优化机电耦合系统级模型的关联参数作为传递参数，基于动力学仿真软件adams的gse状态方程模块，以及多领域系统建模仿真软件amesim的interface模块构建软件接口，并基于软件接口对传递参数进行实时数据传递，对直线伺服关节进行联合仿真。

7、进一步的，建立所述多体动力学模型时，包括以下步骤：

8、在三维软件solidworks中，基于直线伺服关节的尺寸，以及机器人大腿和小腿的铰接关系，建立三维模型，并将三维模型输入动力学仿真软件adams中；

9、在动力学仿真软件adams中，对所述直线伺服关节的移动副加入驱动方式，并对机器人小腿的末端加入力，生成初始多体动力学模型。

10、进一步的，所述传动间隙模型被配置为在多领域系统建模仿真软件amesim中，将两个带间隙的弹簧阻尼元件串联，一个用来设置反向式行星滚柱丝杠间隙，另一个用来设置轴承间隙，轴承间隙为四点接触球轴承与关节轴承的间隙之和，反向式行星滚柱丝杠间隙和轴承间隙之和作为传动间隙模型的总间隙；

11、所述摩擦模型被配置为在轴承摩擦损失元件中设置轴承的摩擦力矩，轴承的摩擦力矩为四点接触球轴承、关节轴承与深沟球轴承的摩擦力矩之和；

12、所述摩擦模型还被配置为通过构建stribeck摩擦函数，并将stribeck摩擦函数引入旋转摩擦盘元件中，得到反向式行星滚柱丝杠的摩擦力矩；

13、所述摩擦模型还被配置为在带摩擦的双端口质量块元件中设置支撑密封端的摩擦阻力；

14、所述刚度模型被配置为在丝杠螺母元件中设置反向式行星滚柱丝杠的传动刚度，在带间隙的弹簧阻尼元件中设置轴承的刚度，并得到传动链总的等效刚度。

15、进一步的，所述stribeck摩擦函数包括：

16、；

17、式中，表示coulomb摩擦力矩；表示stribeck摩擦力矩；表示关节负载的力矩；表示stribeck速度；表示机构旋转角速度；表示外力影响平均系数；表示象限决定系数。

18、进一步的，所述传动链总的等效刚度包括：

19、；

20、式中，为总体的等效刚度；为反向式行星滚柱丝杠轴向刚度；为四点接触球轴承轴向刚度；为关节轴承径向刚度。

21、进一步的，所述关联参数包括：

22、关节负载，关节负载为所述动力学仿真软件adams模型向多领域系统建模仿真软件amesim传递的参数，关节负载包括x方向、y方向和z方向的分力；

23、关节的位移，关节的位移为所述多领域系统建模仿真软件amesim模型向动力学仿真软件adams传递的参数。

24、进一步的，基于软件接口对传递参数进行实时数据传递时，包括以下步骤：

25、步骤a1：多领域系统建模仿真软件amesim经编译生成动态链接库；

26、步骤a2：动力学仿真软件adams通过gse状态方程模块调用所述动态链接库，在每一通信时刻，动力学仿真软件adams将调用的动态链接库求解得到当前关节负载，并将当前关节负载作为输入传递给多领域系统建模仿真软件amesim；

27、步骤a3：多领域系统建模仿真软件amesim根据当前所述关节负载，并结合优化机电耦合系统级模型，求解得到当前关节位移；

28、步骤a4：将当前关节位移作为输出返回给动力学仿真软件adams，动力学仿真软件adams以当前关节位移驱动多体动力学模型进行求解得到下一时刻的关节负载；

29、步骤a5：将下一时刻的关节负载输入动态链接库，重复步骤a2至步骤a4，直至协同仿真结束，得到以时间为横坐标，以关节位移、关节速度、关节负载为纵坐标的关节响应仿真图。

30、在第二方面，本公开实施例提供一种直线伺服关节动态特性的仿真系统，包括：

31、初始化单元，被配置为在动力学仿真软件adams中建立直线伺服关节的多体动力学模型，在多领域系统建模仿真软件amesim中，基于直线伺服关节的实际工作原理建立包含伺服电机与控制模型的初始机电耦合系统级模型；

32、优化单元，被配置为在所述初始机电耦合系统级模型中嵌入考虑非线性因素的传动链，得到优化机电耦合系统级模型，考虑非线性因素的传动链包括传动间隙模型、摩擦模型和刚度模型；

33、仿真单元，被配置为将所述多体动力学模型和优化机电耦合系统级模型的关联参数作为传递参数，基于动力学仿真软件adams的gse状态方程模块，以及多领域系统建模仿真软件amesim的interface模块构建软件接口，并基于软件接口对传递参数进行实时数据传递，对直线伺服关节进行联合仿真。

34、在第三方面，本公开实施例提供一种电子设备，其特征在于，该电子设备包括：

35、至少一个处理器；以及，

36、与该至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

37、该存储器存储有可被该至少一个处理器执行的指令，该指令被该至少一个处理器执行，以使该至少一个处理器能够执行所述的直线伺服关节动态特性的仿真方法。

38、在第四方面，本公开实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的直线伺服关节动态特性的仿真方法。

39、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

40、本发明提供一种直线伺服关节动态特性的仿真方法、系统、设备及介质，本方法在初始机电耦合系统级模型中嵌入考虑非线性因素的传动链，得到优化机电耦合系统级模型，考虑非线性因素的传动链包括传动间隙模型、摩擦模型和/或刚度模型，解决了现有联合仿真方法中将传动链视为理想系统的问题，能够真实反映关节在非线性因素影响下的实际动态行为，为设计阶段的性能评估提供可靠依据；基于动力学仿真软件adams的gse状态方程模块，以及多领域系统建模仿真软件amesim的interface模块构建软件接口，并基于软件接口对传递参数进行实时数据传递，实现了多体动力学模型与优化机电耦合系统级模型的协同求解，两者的优势互补既能准确描述关节的机械动态特性，又能精细刻画伺服电机-控制-传动链的机电耦合过程，克服了单一软件仿真中“顾此失彼”的技术缺陷；同时，在对直线伺服关节进行联合仿真时，可选择性激活或屏蔽间隙模型、摩擦模型或刚度模型，能够在同一联合仿真框架下分别获取各非线性因素单独作用及任意组合作用下的关节动态响应数据，为传动系统的精准优化提供了数据支撑。