CN110439959A - 一种机器人及其振动抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种机器人振动抑制方法，机器人包括机器人本体和减振装置，减振装置包括减振控制器和减振器，包括如下步骤：S01：减振控制器开始运行；S02：检测第一预设时间段内机器人本体的振动数据，对振动数据进行分析，得到在第一预设时间段内的机器人本体振动频率，记为fi；S03：判断振动数据是否超过第一预设阈值，如果为否，则返回到S02，如果为是，则进入步骤S04；S04：根据在第一预设时间段内的机器人本体振动频率中的峰值频率，记为fn，调节减振器的共振频率，以完成减振。本发明通过检测机器人的振动数据，分析得到峰值频率，通过调节减振器的共振频率，减少振动，具有良好的减振效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人及其控制方法，具体而言，涉及一种机器人及其振动抑制方法。
背景技术
工业机器人末端振动直接影响末端执行器的轨迹与精度，因而，对机器人末端振动的抑制有着重要意义。现有机器人减振控制技术大致分为两类：通过增设机械装置来实现对机器人运行的减振控制和构建反馈控制器来实现对机器人系统的振动控制。
专利号为201210345735.9的中国专利申请公开了一种基于2：1内共振的柔性机械臂耗能减振方法及实现装置，该专利没有实时调节功能，只能用于动态特性已知且时不变的机械臂，对于多轴机器人并不适用。
专利号为201310280548.1的中国专利申请公开了一种减振控制机器人系统，该专利需要与机器人主控装置进行通信读取编码器信号并对动作指令进行修正，其最终减振方式是对动作指令进行修正实现，增加了系统复杂度和成本。
专利号为201710432259.7的中国专利申请公开了一种减振控制机器人系统一种基于轨迹优化的机器人振动控制器及方法。该专利通过对机器人任务轨迹的规划调整，降低了机器人关节运动在振动区间的运行时间，减缓了机器人由于系统柔性引发的振动现象，减振效果有限。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种机器人及其振动抑制方法，可以抑制工业机器人末端振动，提高机器人运行精度；减振装置具有实时检测与实时执行机构，具有较强的适用性与通用性，可用于单轴或多轴机械手\机器人；
可选地，本发明的减振装置独立，不需要与机器人主控装置即机器人控制器通信交换数据，只需要单向控制，可作为减振模块自由搭配和改造。
具体地：
一种机器人振动抑制方法，机器人包括机器人本体和减振装置，减振装置包括减振控制器和减振器，包括如下步骤：
S01：减振控制器开始运行；
S02：检测第一预设时间段内机器人本体的振动数据，对振动数据进行分析，得到在第一预设时间段内的机器人本体的振动频率，振动频率记为fi；
S03：判断振动数据是否超过第一预设阈值，如果为否，则返回到S02，如果为是，则进入步骤S04；
S04：根据在第一预设时间段内的机器人本体振动频率中的峰值频率，峰值频率记为fn，调节减振器的共振频率，以完成减振。
优选地，步骤S02中振动数据为加速度数据；步骤S02中对振动数据进行分析，得到在第一预设时间段内的机器人本体振动频率的方式为，对加速度数据进行傅立叶变换，得到加速度频谱曲线，进而得到所述机器人本体振动频率。
优选地，步骤S02中，第一预设阈值为a0(fi)＝(2πfi)2δ，其中，a0(fi)为第一预设阈值，δ为预设振幅阈值。
优选地，步骤S04中,调节减振器的共振频率的方式为，使减振器的共振频率与峰值频率一致。
优选地，减振器包括质量块和弹簧，步骤S04中：通过调节弹簧的刚度来调节减振器的共振频率。
优选地，调节弹簧刚度的方式为：根据公式K2＝(2πfn)2M2调节弹筑的刚度，其中M2为质量块的重量，K2为弹簧的刚度。
优选地，步骤S02中振动数据为三向振动数据，即水平横向方向、水平纵向方向和竖直方向的振动数据。
优选地，机器人还包括机器人控制器，步骤S01中减振控制器开始运行的方式为：当减振控制器接收到机器人控制器的控制指令后，减振控制器开始运行。
另外本发明还提供一种机器人的振动抑制装置，所述振动抑制装置采用本发明中任一个所述的振动抑制方法。
另外本发明还提供一种机器人，所述机器人采用本发明所述的振动抑制装置。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明的减振装置的示意图。
图2：本发明的减振原理示意图。
图3：安装本发明的减振装置与未安装本发明的减振装置的振幅频率响应曲线对比示意。
图4：本发明减振装置主体示意图。
图5：本发明减振器中的质量块与弹簧配合示意图。
图6：本发明减振装置安装在六轴机器人上示意图。
图7：本发明的振动数据频谱分析与判断示意图。
图8：本发明减振控制器控制逻辑示意图。
图9：本发明机器人控制器控制时序示意图；
图10：本发明可调刚度弹簧的一种实施方式示意图。
其中：1-机器人控制器；
2-减振装置，20-减振控制器，200-减振装置主体，201-加速度传感器，202-减振器，203-无线信号接受发射部件，204-支撑板，205-安装螺钉孔，206-X向可变刚度弹簧，207-Y向可变刚度弹簧，208-Z向可变刚度弹簧，209-质量块；
3-机器人本体；
4-振动检测结果频谱曲线，40-峰值频率，400-加速度阈值频谱曲线，401-未安装减振装置时振幅频率响应曲线，402-安装减振装置时振幅频率响应曲线；
501-控制时序ON，502-控制时序OFF，503-控制时序时间间隔T i；
6-电磁弹簧。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种结构，但这些结构不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一结构与另一结构。因此，下文论述的第一结构可称为第二结构而不偏离本公开概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。
本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本公开所必须的，因此不能用于限制本公开的保护范围。
下面结合附图1-10对本发明中的具体实施方式的内容进行详细描述：一种机器人振动抑制方法，机器人包括机器人本体3和减振装置2，减振装置2包括减振控制器20和减振器202，包括如下步骤：
S01：减振控制器20开始运行；
S02：检测第一预设时间段内机器人本体3的振动数据，对振动数据进行分析，得到在第一预设时间段内的机器人本体3振动频率fi；
S03：判断振动数据是否超过第一预设阈值，如果为否，则返回到S02，如果为是，则进入步骤S04；
S04：根据在第一预设时间段内的机器人本体3振动频率中的峰值频率40fn，调节减振器202的共振频率，以完成减振。
优选地，步骤S02中振动数据为加速度数据；步骤S02中对振动数据进行分析，得到在第一预设时间段内的机器人本体3振动频率fi的方式为，对加速度数据进行傅立叶变换，得到加速度ai-振动频率fi变化曲线，进而得到所述机器人本体3振动频率fi。
优选地，步骤S02中，第一预设阈值为a0(fi)＝(2πfi)2δ，其中，a0(fi)为第一预设阈值，δ为预设振幅阈值。
优选地，步骤S04中,调节减振器202的共振频率的方式为，使减振器202的共振频率与峰值频率40，即fn一致。
优选地，减振器202包括质量块209和弹簧，步骤S04中：通过调节弹簧的刚度来调节减振器202的共振频率。
优选地，调节弹簧刚度的方式为：根据公式K2＝(2πfn)2M2调节弹筑的刚度，其中M2为质量块209的重量，K2为弹簧的刚度。
优选地，步骤S02中振动数据为三向振动数据，即水平横向方向、水平纵向方向和竖直方向的振动数据。
优选地，机器人还包括机器人控制器1，步骤S01中减振控制器20开始运行的方式为：当减振控制器20接收到机器人控制器1的控制指令后，减振控制器20开始运行。
另外本发明还提供一种机器人的振动抑制装置，所述振动抑制装置采用本发明中任一个所述的振动抑制方法。
另外本发明还提供一种机器人，所述机器人采用本发明所述的振动抑制装置。
下面参考图1-10对本发明的原理和过程作一描述：
如图1所示，本发明的减振装置2由加速度传感器201、刚度可调减振器202及减振控制器20构成。优选地，加速度传感器201为三向加速度传感器201，刚度可调减振器202为三向刚度可调减振器202。
如图2所示，其中示意出了减振原理，下面说明其振动抑制原理：机器人振动的动力学方程为：
其稳态解为：
机器人本体3振幅B1与静位移δst比值为：
式中，
静位移：
其他符号：
λ＝ω/ωn1,α＝ωn2/ωn1,u＝M2/M1
M1、K1、C1表示被减振主体即机器人本体3的模态质量、刚度和阻尼；
M2、K2、C2表示被减振器202质量、刚度和阻尼；
F表示被被减振主体受到的外部激振力；
X1、X2表示被减振主体和减振器202的振动位移；
B1、B2表示被减振主体和减振器202的振动位移幅值；
δst表示被减振主体的静位移；
j为虚数符号；ω为圆频率(单位为rad/s)；t表示时间；
“ωn1”表示被减振主体共振圆频率；“ωn2”表示减振器共振圆频率。
如图3所示，其中示意出了未安装减振装置时振幅频率响应曲线401和安装减振装置时振幅频率响应曲线402，从该图可以明显看出，安装了本发明减振装置2的机器人本体振动幅度明显降低。
如图1，4所示，本发明减振装置2包括减振控制器20和减振装置主体200构成；减振装置主体200包括加速度传感器201，减振器202，无线信号接受发射部件203，安装螺钉孔205。
如图4，5所示，减振器202由质量块209和三个垂直方向刚度可调的弹簧构成；弹簧一端支撑质量块209，一端通过支撑板204固定在减振装置主体200上。
优选地，减振器202包括一定质量的立方体或长方体质量块209和三向刚度可调的支撑装置构成，支撑装置可为弹簧。根据减振控制器20指令调节支撑刚度，改变减振器202共振频率以实现动力减振目的；
优选地，弹簧包括：X向可变刚度弹簧206，Y向可变刚度弹簧207，Z向可变刚度弹簧208，通过对三个方向的弹簧进行调整，可对三个方向的振动进行抑制，具有较强的适用性和通用性。
如图6所示，不失一般性，以工业6轴机器人为例，本发明减振装置主体200可以布置在机器人的不同关节位置，可以按单个布置或多个位置同时布置多个减振装置主体200。
在机器人不同关节配置单个或多个减振主体200；减振装置主体200与减振控制器20之间的信号通信可使用无线或有线通信，优先使用无线通信，这样可以简化布线要求。
如图7-9所示，本发明减振控制器20控制逻辑，当接收到控制时序ON501指令后，首先采集三向加速度传感器201三个方向的振动加速度信号；不失一般性，下面按一个方向的控制来说明，第二步，对振动加速度信号进行离散傅立叶变换，得到振动检测结果频谱曲线4，即加速度频谱曲线；第三步，对傅立叶变换后的加速度频谱曲线与加速度阈值频谱曲线400进行比对判断是否超标；第四步，如果超标，根据加速度频谱曲线中的峰值频率40，按公式K2＝(2πfn)2M2计算得出需要调节到的刚度K2，其中M2为减振器202质量块209的质量，并发出指令给减振装置主体200执行，然后等待指令执行下一循环。
其中，第一预设阈值频谱曲线由公式a0(fi)＝(2πfi)2δ计算得到，其中δ为预设振幅阈值为可调量，可通过减振控制器20内部调节或接受机器人控制器1的调节，其具体设计时，可根据对机器人本体3振动的控制要求具体设置，如当在较小的振动下即需调节机器人本体3振动时，δ取较小值，反之其可取较大值。其中fi为加速度频谱曲线的频率值。
如图9所示，减振控制器20可以按两种模式工作：模式一：可调节内置控制时序，即按一定时间间隔执行减振控制程序，其中：控制时序ON501，控制时序OFF502，控制时序时间间隔Ti503，即其示意出了间隔控制的方式。模式二：接受机器人控制器1控制，由机器人控制器1发出控制时序执行。
优选地，本发明加速度传感器201检测信号作为输入，弹簧刚度作为调节目标输出，有单独的减振控制器20控制，不需要读取机器人控制器1的信息，可作为单独的模块灵活使用。
可选地，三向加速度传感器201可以使用单向加速度传感器201，结合单方向刚度可调节的减振器202使用，两者的布置方向一致；三向加速度传感器201可以集成布置在减振装置主体200上，或者独立布置于机器人本体3上；减振控制器20与减振装置主体200之间的通信可以使用无线和有线两种方式。
可选地，三向加速度传感器201集成布置在减振装置主体200上或独立布置于机器人末端，优先集成布置于减振装置主体200上，用于检测机器人末端三向振动；减振控制器20搭载控制程序，用于分析加速度传感器201信号，用于判断振动幅值是否超过第一预设阈值并确定峰值频率40fn，如超过第一预设阈值则开启调节功能，调节减振装置主体200的支撑刚度进行动力减振。
如图10所示，本发明中的可调刚度弹簧可以使用普通弹簧与电磁弹簧6组合方式，电磁弹簧6用于调节刚度，如电磁弹簧6通过调节线圈的电流，进而调节其与质量块209(其材料可为铁)的引力，进而实现刚度的调节。或者使用空气弹簧，通过调节气体体积或压力调节刚度，具体实现形式不做限定。
有益效果：
本发明的减振装置2可提高机器人的运行精度，可以实时检测机器人末端振动情况，并根据检测信号对弹簧刚度进行实施调整，且可对三个方向的振动进行抑制，具有较强的适用性和通用性。
本发明振动传感器检测信号作为输入，弹簧刚度作为调节目标输出，有单独的减振控制器20控制，不需要读取机器人控制器1即主控制器的信息，可作为单独的模块灵活使用。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。
Claims (10)
1.一种机器人振动抑制方法，机器人包括机器人本体(3)和减振装置(2)，减振装置(2)包括减振控制器(20)和减振器(202)，其特征在于包括如下步骤：
S01：减振控制器(20)开始运行；
S02：检测第一预设时间段内机器人本体(3)的振动数据，对振动数据进行分析，得到在第一预设时间段内的机器人本体(3)的振动频率，振动频率记为fi；
S03：判断振动数据是否超过第一预设阈值，如果为否，则返回到S02，如果为是，则进入步骤S04；
S04：根据在第一预设时间段内的机器人本体(3)的振动频率中的峰值频率(40),峰值频率(40)记为fn，调节减振器(202)的共振频率，以完成减振。
2.根据权利要求1所述的振动抑制方法，其特征在于：步骤S02中振动数据为加速度数据；步骤S02中对振动数据进行分析，得到在第一预设时间段内的机器人本体(3)振动频率的方式为，对加速度数据进行傅立叶变换，得到加速度频谱曲线，进而得到所述机器人本体(3)的振动频率。
3.根据权利要求2所述的振动抑制方法，其特征在于：步骤S02中，第一预设阈值为a0(fi)＝(2πfi)2δ，其中，a0(fi)为第一预设阈值，δ为预设振幅阈值。
4.根据权利要求1-3任一所述的振动抑制方法，其特征在于：步骤S04中,调节减振器(202)的共振频率的方式为，使减振器(202)的共振频率与峰值频率(40)一致。
5.根据权利要求1-3任一所述的振动抑制方法，其特征在于：减振器(202)包括质量块(209)和弹簧，步骤S04中：通过调节弹簧的刚度来调节减振器(202)的共振频率。
6.根据权利要求5所述的振动抑制方法，其特征在于：调节弹簧刚度的方式为：根据公式K2＝(2πfn)2M2调节弹簧的刚度，其中M2为质量块(209)的重量，K2为弹簧的刚度。
7.根据权利要求1-3任一所述的振动抑制方法，其特征在于：步骤S02中振动数据为三向振动数据，即水平横向方向、水平纵向方向和竖直方向的振动数据。
8.根据权利要求1-3任一所述的振动抑制方法，其特征在于：机器人还包括机器人控制器(1)，步骤S01中减振控制器(20)开始运行的方式为：当减振控制器(20)接收到机器人控制器(1)的控制指令后，减振控制器(20)开始运行。
9.一种机器人的振动抑制装置，其特征在于：所述振动抑制装置采用权利要求1-8中任一个所述的振动抑制方法。
10.一种机器人，其特征在于：所述机器人具有权利要求9所述的振动抑制装置。
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