CN101850549B - 一种机器人专用关节特性检测与参数调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人专用关节特性检测与参数调节装置，具有控制与处理单元、伺服驱动单元和减速机与负载单元，所述控制与处理单元跟伺服驱动单元、减速机与负载单元通过高速通讯总线进行指令和数据的传输，伺服驱动单元驱动减速机与负载单元。所述伺服驱动单元包括具有电流实时反馈接口的高动态性能的伺服电机驱动器、电机端17位高精度编码器和高动态性能的伺服电机，伺服电机驱动器通过线路连接控制17位高精度编码器和伺服电机。所述减速机与负载单元包括测试用的减速器、可变惯量负载和减速器负载端24位高精度编码器。本发明可以用于对于工业机器人用高精密减速机进行动态性能参数测试和辨识，同时完成对于伺服电机的参数等效配置。

Description

一种机器人专用关节特性检测与参数调节装置

技术领域

本发明涉及一种机器人装置，尤其是一种工业机器人用高精密减速机进行动态性能参数测试和辨识、同时完成对于伺服电机的参数等效配置的机器人专用关节特性检测与参数调节装置。

背景技术：

用于工业机器人的高精度减速机其动力学特性对与机器人的性能，效率，寿命影响很大，对于这些特性参数的获取可用于对机器人精度进行算法补偿，有利于在不增加硬件成本的基础上大幅度提高机器人的性能指标。并且还可以对减速机的出场参数进行检测，便于进行工业机器人整机的品质管理。目前尚无类似装置能完成相应的测试。

同时机器人在进行伺服电机参数调节时往往将电机安装在机器人的机械本体上，由于调节伺服电机的PID参数，需要对带载状态下的电机进行多次白噪声扫频，或是速度阶跃响应测试，这种调试如果参数选择不合适的话，很有可能会对机械本体产生冲击和伤害。因此调节单轴参数时需要一个实验装置，通过惯量等效的方法，调节玩参数后再装到本体上，如果等效有些误差，参数即使不是最优的化，也仅需进行少量的微调，从而避免了对整个机器人本体的冲击和损伤。

发明内容：

为对获得工业机器人专用减速机的精确动态特性和模型，同时对机器人用伺服电机进行参数优化和调节，本发明提供了一种机器人专用关节特性检测与参数调节装置。

本发明通过下列技术方案实现：一种机器人专用关节特性检测与参数调节装置，具有控制与处理单元、伺服驱动单元和减速机与负载单元，所述控制与处理单元跟伺服驱动单元、减速机与负载单元通过高速通讯总线进行指令和数据的传输，伺服驱动单元驱动减速机与负载单元。所述伺服驱动单元包括具有电流实时反馈接口的高动态性能的伺服电机驱动器、电机端17位高精度编码器和高动态性能的伺服电机，伺服电机驱动器通过线路连接控制17位高精度编码器和伺服电机。所述减速机与负载单元包括测试用的减速器、可变惯量负载和减速器负载端24位高精度编码器。

具有高速通讯总线接口的和实时系统运动的控制与处理单元，通常为嵌入实时系统和具有工业以太网接口的工控机，其完成运动指令生成，并通过高速通讯总线(工业以太网)将运动指令传输到高动态性能伺服驱动器中。具有实时电流反馈的伺服电机驱动器为整个装置提供动力源，并且将电流信号同样通过高速通讯总线返回到控制与处理单元的控制器中，控制器对数据进行保存和后处理。由于电流信号与电机力矩信号的线性度很高，所以通过对电流信号的实时采集即可认为对力矩信号进行了实时获取。伺服驱动器驱动伺服电机，在电机端装有17位高精度编码器，完成电机转子角度的测量。伺服电机带动减速机，减速机连接负载可调的可变惯量负载，通过对于不同惯量负载的测试，在负载端装有24位高精度编码器，完成减速机输出端角度的测量。多次采集数据，采用最小二乘法可以获得减速机的动态参数，或者完成对于特定伺服参数下，改关节伺服系统性能评估。

本发明可以用于对于工业机器人用高精密减速机进行动态性能参数测试和辨识，同时完成对于伺服电机的参数等效配置，该装置各种具体应用如下：

1检测减速机刚度、阻尼、间隙等对特性曲线，通过对这些非线性环节的辨识，获得减速器准确的动态模型，为机器人的精度补偿，高动态性能伺服控制算法提供模型基础

2对减速机的各出厂指标进行检测，是对机器人系统集成进行品质管理的基础。

3可以对伺服电机，关节频谱进行测试，采用等效惯量的思想，等效测出改关节在进行解耦补偿后的频谱特性曲线，并进行最优的伺服控制参数设置。避免整机测试的危险性和对机械本体的冲击和损伤。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明的刚度特性曲线。

图中：1、具有高速通讯总线接口的和实时系统运动控制器

2、高速通讯总线(工业以太网)

3、具有电流实时反馈接口的高动态性能伺服电机驱动器

4、电机端17位高精度编码器

5、高动态性能的伺服电机(一般即为与减速机所配套的电机)

6、测试用的减速器 7、可变惯量负载

8、减速器负载端24位高精度编码器 9、减速机与负载单元

10、伺服驱动单元 11、控制与处理单元

具体实施方式：

如图1所示一种机器人专用关节特性检测与参数调节装置，具有控制与处理单元11、伺服驱动单元10和减速机与负载单元9，所述控制与处理单元11跟伺服驱动单元10、减速机与负载单元9通过高速通讯总线2进行指令和数据的传输，伺服驱动单元10驱动减速机与负载单元9。所述伺服驱动单元10包括具有电流实时反馈接口的高动态性能的伺服电机驱动器3、电机端17位高精度编码器4和高动态性能的伺服电机5，伺服电机驱动器3通过线路连接控制17位高精度编码器4和伺服电机5。所述减速机与负载单元9包括测试用的减速器6、可变惯量负载7和减速器负载端24位高精度编码器8。

测试方法(参考Ghorbel方法)

1减速机刚度特性曲线

将减速机输出端用强度和刚度足够大的螺栓进行刚性连接在装置基座上，这样减速机的输出端可以近似认为转动角度为0，在对电机的进行极低速转动，确保极低速，一般为额定转速的1％，速度过高可能会损坏减速机和电机，同时会增加摩擦和阻尼对测试结果的影响。通过工控机检测电机端编码器反馈的转角θ，电机电流反馈I，由于伺服电机转矩电流成线性关系，所以由下述公式可得电机转矩值如下

T＝K_cI，随着电机的转动，转矩逐步加大，实时记录电机端编码器转角和电机转矩值，并监测转矩，当其达到减速机额定转矩的20％时，停止电机转动。忽略阻尼的影响，将关节近似由关节扭簧模型如下式，可得关节刚度的近似值，或者可以得到刚度特性曲线，如图2所示，K＝T/θ。

2间隙测试

在完成刚度测试的同时，减速机间隙也能由测试所得曲线近似求出，如图2所示。

3减速机阻尼特性与摩擦模型测试

由第一步已经可以近似得到减速机的刚度值，下一步考虑减速机的摩擦模型。首先让减速机在带额定负载的情况下工作在匀速状态，转速分别设为额定转速的30％，60％，100％进行多次测量，这样可以近似认为此时电机力矩主要为关节的摩擦转矩(正常情况下电机转子摩擦转矩很小，可以忽略不计)。对电流进行实时采集，从而完成摩擦模型就行参数辨识。一般采用在目前较为符合实际特性的Stribeck模型，其完整的模型描述如下：

$T_f\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)=F_o\mathrm{sgn}\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\right)+F_v\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}+F_s[1-e^{-(\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}/V_c)}]$

多次测量然后可以对其中的参数F_o，F_v，F_s，V_c进行最小二乘拟和。

4伺服电机控制参数最优化调节

由于在工业机器人高精度伺服系统中，需要进行计算力矩控制，以提高其动态性能，其基本方法如下：

计算力矩控制律，消除系统耦合项：

$\mathrm{\τ}=\hat{M}\left(\hat{q}\right)u+\hat{C}(\hat{q},\stackrel{\widehat{\·}}{q})\stackrel{\·}{q}+\hat{G}\left(\hat{q}\right)$

都为建模所得的相应矩阵，

为反馈测得的位置、速度。

由于系统真实动力学方程为：

$\mathrm{\τ}=M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+C(q,\stackrel{\·}{q})\stackrel{\·}{q}+G\left(q\right)$

则有以下系统方程：

$M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+C(q,\stackrel{\·}{q})\stackrel{\·}{q}+G\left(q\right)=\hat{M}\left(\hat{q}\right)u+\hat{C}(\hat{q},\stackrel{\widehat{\·}}{q})\stackrel{\·}{q}+\hat{G}\left(\hat{q}\right)$

若以上各测量量和模型比较准确的话则有，非线性项将会比较小，上述系统方程可以近似为定惯量线性系统：

$M_e\stackrel{\·\·}{q}=u$

其中M_e等效惯量，可以通过调节负载惯量至M_e，然后进行伺服电机参数最优化调节，具体可以做以下内容：

(1)阶跃速度和位置信号进行电机速度环和位置环的参数调节

由于阶跃信号冲击很大，直接在机器人本体上进行容易对机械本体产生损伤，而在测试台上就不存在这个问题。通过这步调节可以完成对伺服驱动器PID参数的寻优。

(2)扫频模型

对电机的位置环贺速度环进行全频段的信号扫频，找出谐振点，从而可以对伺服驱动器进行合理的滤波器配置。

Claims (2)

1.一种机器人专用关节特性检测与参数调节装置，其特征是：具有控制与处理单元(11)、伺服驱动单元(10)和减速机与负载单元(9)，所述控制与处理单元(11)跟伺服驱动单元(10)、减速机与负载单元(9)通过高速通讯总线(2)进行指令和数据的传输，伺服驱动单元(10)驱动减速机与负载单元(9)，所述减速机与负载单元(9)包括测试用的减速器(6)、可变惯量负载(7)和减速器负载端24位高精度编码器(8)。

2.根据权利要求1所述的机器人专用关节特性检测与参数调节装置，其特征是：所述伺服驱动单元(10)包括具有电流实时反馈接口的高动态性能的伺服电机驱动器(3)、电机端17位高精度编码器(4)和高动态性能的伺服电机(5)，伺服电机驱动器(3)通过线路连接控制17位高精度编码器(4)和伺服电机(5)。

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