CN112917511A - 机器人关节运动精度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人测试技术领域，具体地说是一种机器人关节运动精度测量方法，包括：步骤一、通过控制系统设置基本参数；步骤二、通过控制系统设置零点参数；步骤三、触发测试，获得机器人关节实际零点角度值；步骤四、重复步骤三n次，获得机器人关节的n组实际零点角度值，计算获得机器人关节的零点准确性和零点重复性；步骤五、在步骤四机器人关节基础上，通过控制系统设置运动参数；步骤六、再次触发测试，获得机器人关节实际运动角度值；步骤七、重复步骤六n次，计算获得机器人关节的位置准确度和位置重复性；步骤八：测试完成后，输出数值。本发明能够直接对机器人关节进行测试，提高机器人关节运动精度测量的准确性和测试效率。

Description

机器人关节运动精度测量方法
技术领域
本发明涉及机器人测试技术领域，具体地说是一种机器人关节运动精度测量方法。
背景技术
机器人是当代高端智能装备和高新技术的突出代表，是衡量一个国家制造业水平和核心竞争力的重要标志。机器人关节是机器人的核心部件，其运动精度是机器人关节的一项重要指标，对于评价机器人关节性能具有重要意义，同时可以用于机器人整机参数调节，提升机器人的整机运动性能。
机器人关节主要由伺服电机和精密减速器组成，传统测试将伺服电机和精密减速器作为两个零部件分别进行测试，但在实际工程中，受制造和装配等因素影响，无法依据两个零部件的运动精度评价机器人关节的运动精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人关节运动精度测量方法，能够直接对机器人关节进行测试，提高机器人关节运动精度测量的准确性和测试效率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种机器人关节运动精度测量方法，采用的测试装置包括依次连接的角度编码器、转矩转速传感器和负载单元，所述负载单元包括伺服电机，包括如下步骤：
步骤一：通过控制系统设置基本参数，包括机器人关节零点位置和角度编码器零点；
步骤二：通过控制系统设置零点参数，包括机器人关节运动模式、位置角度、运动速度、机器人关节回零模式、伺服电机运动模式、加载转矩和转矩保护限值；
步骤三：触发测试，控制系统控制机器人关节以步骤二中设定的运动速度运动至设定的位置角度，到达设定位置角度后，控制系统再控制机器人关节运行至步骤一中设定的零点位置，然后角度编码器记录当前位置为机器人关节实际零点角度值；
步骤四：重复步骤三n次，获得机器人关节的n组实际零点角度值，对n组实际零点角度值计算获得机器人关节的零点准确性和零点重复性；
步骤五：在步骤四机器人关节基础上，通过控制系统设置运动参数，包括机器人关节运动模式、运动位置角度、运动速度、伺服电机运动模式、机器人关节不同位置下的加载转矩值和转矩保护限值；
步骤六：再次触发测试，控制系统控制机器人关节以运动速度运动至设定位置角度，然后角度编码器记录当前位置为机器人关节实际运动角度值，然后控制系统再控制机器人关节以设定速度运动至初始位置；
步骤七：重复步骤六n次，获得机器人关节的n组实际运动角度值，对n组实际运动角度值计算获得机器人关节的位置准确度和位置重复性；
步骤八：测试完成后，步骤四中获得的机器人关节的零点准确性和零点重复性以及步骤七中获得的机器人关节的位置准确度和位置重复性输出为评价机器人关节精度提供依据。
步骤一中，将机器人关节的初始位置设为机器人关节零点位置，同时将角度编码器置零，统一机器人关节运动坐标系和测量坐标系。
步骤三中，控制系统通过转矩转速传感器监控机器人关节输出端的加载转矩，并采用PID算法闭环控制伺服电机加载转矩。
步骤四中，机器人关节的零点准确性和零点重复性计算如下：
Figure BDA0002305332180000021
Figure BDA0002305332180000022
上式(1)和式(2)中：θAZ为零点准确度；θRZ为零点重复性；θi为第i次实际零点角度值；n为试验次数。
步骤六中，控制系统通过角度编码器和转矩转速传感器监控机器人关节输出端的实时位置和加载转矩值，并应用PID算法调节不同位置下的负载转矩值。
步骤七中，机器人关节的位置准确度和位置重复性计算如下：
Figure BDA0002305332180000023
Figure BDA0002305332180000024
上式(3)和式(4)中，：θAC为位置准确度；θRC为位置重复性；
Figure BDA0002305332180000031
为实际运动角度平均值；
θC为控制角度值；θi为第i次实际运动角度值；n为试验次数。
所述负载单元包括伺服电机和增速器，且转矩转速传感器、增速器和伺服电机依次相连。
所述控制系统包括工控机，且测试时在所述工控机的上位机软件中设置参数。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明能够直接对机器人关节进行测试，避免传统方法中对机器人关节驱动电机和关节减速器分别进行精度测试的情况，并且可以利用伺服电机加载，根据机器人关节不同位置动态调试负载转矩，应用相关算法提高动态响应速度，不仅提高了装置的自动化水平，而且能够客观公正地评价机器人关节运动性能，提高机器人关节运动精度测量的准确性和测试效率。
2、本发明将机器人关节的零点准确度、零点重复性、位置准确度和位置重复性作为评价机器人关节运动精度的技术指标，可以客观公正地评价机器人关节运动性能，为评价机器人关节运动精度提供一个统一标准。
3、本发明采用重复测量技术，应用误差理论计算的方法提高运动精度测量的准确性，并且本发明采用的测量装置自动化程度高，可以提高机器人关节精度测量的测试效率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图，
图2为本发明的测试装置示意图，
图3为本发明的控制系统示意图。
其中，1机器人关节；2角度编码器；3转矩转速传感器；4增速器；5伺服电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图2所示，本发明通过一种机器人关节运动精度的测量装置实现，所述测量装置包括角度编码器2、转矩转速传感器3、负载单元和待测的机器人关节1，所述机器人关节1、角度编码器2、转矩转速传感器3、负载单元依次连接，其中负载单元包括伺服电机5和增速器4，且转矩转速传感器3、增速器4和伺服电机5依次相连，所述增速器4用于减低伺服电机5的加载转矩，进而可以选用低转矩伺服电机5，降低测量装置的硬件成本，也可以减少负载单元空间。本实施例中，所述角度编码器2选用海德汉高精度角度编码器，所述转矩转速传感器3选用奇石乐转矩转速传感器，所述负载单元包括西门子伺服电机5和增速器4。本发明通过测量装置上的角度编码器2和转矩转速传感器3测量机器人关节1输出端的位置和转矩转速信息，进而依托测量装置的控制系统实现对机器人关节1不同位置下的加载转矩变化，并采用PID算法快速、准确地控制加载转矩，真实模拟机器人关节的运动载荷。
如图3所示，本发明采用的控制系统包括工控机、运动控制器、关节驱动器、信号采集卡等，其中工控机中的上位机软件接收用户设定的测试参数，主要包括机器人关节运动参数、伺服电机运动参数、工况参数等，上位机将测试参数传递到运动控制器中，运动控制器通过驱动系统分别驱动机器人关节1和伺服电机5，进而完成机器人关节1的运动控制和载荷控制，并通过角度编码器2和转矩转速传感器3测量机器人关节1输出端的位置和转矩转速信息。
如图1所示，本发明包括如下步骤：
步骤一：通过控制系统设置基本参数，包括机器人关节1零点位置和角度编码器2零点。
本实施例中，操作者在工控机的上位机软件中设置基本参数，其中将机器人关节1的初始位置设为机器人关节1零点位置，同时将角度编码器2置零，从而统一机器人关节1运动坐标系和测量坐标系。
步骤二：通过控制系统设置零点参数，包括机器人关节1运动模式、位置角度、运动速度、机器人关节1回零模式、伺服电机5运动模式、加载转矩和转矩保护限值。
本实施例中，操作者在工控机的上位机软件中设置零点参数，其中机器人关节1运动模式设为位置模式，伺服电机5设为转矩模式，按照实际工况设置机器人关节1的位置角度、运动速度、回零模式以及伺服电机5的加载转矩，同时设置加载保护限值，并由控制系统监控机器人关节1输出端加载转矩在安全范围内。
步骤三：用户触发测试，控制系统控制机器人关节1以步骤二中设定的运动速度运动至设定的位置角度，到达设定位置角度后，控制系统再控制机器人关节1运行至步骤一中设定的零点位置，然后角度编码器2记录当前位置即为机器人关节1实际零点角度值。
本步骤中，控制系统通过转矩转速传感器3监控机器人关节1输出端的加载转矩，并采用PID算法闭环控制伺服电机5加载转矩，选取合适比例(P)、积分(I)和微分(D)参数，控制系统可以快速、准确地控制加载转矩值。所述PID算法为本领域公知技术。
步骤四：重复步骤三n次，受机器人关节1的机械结构、电控等因素影响，机器人关节1每次回零的实际零点角度值会发生变化，控制系统中的工控机上位机系统记录n组机器人关节1的实际零点角度值。该组数值既反映机器人关节1回零点的实际零点角度值与初始零点的偏差，也即机器人关节1的零点准确性，也反映机器人关节1回零点的实际零点角度值的一致程度，也即机器人关节1的零点重复性，具体计算公式如下式(1)和式(2)：
Figure BDA0002305332180000051
Figure BDA0002305332180000052
上式(1)和式(2)中：θAZ为零点准确度；θRZ为零点重复性；θi为第i次实际零点角度值；n为试验次数。
计算后获得的机器人关节1的零点准确性和零点重复性进行数据存储。
步骤五：在步骤四调零后的机器人关节1基础上，通过控制系统设置运动参数，包括机器人关节1运动模式、运动位置角度、运动速度、伺服电机5运动模式、机器人关节1不同位置下的加载转矩值和转矩保护限值。
本实施例中，操作者在工控机的上位机软件中设置运动参数，其中机器人关节1设为位置模式，伺服电机5设为转矩模式，根据实际工况设置机器人关节1运动位置角度和运动速度，同时设置机器人关节1在不同位置下的加载转矩值(此设置值是由位置角度值和加载转矩值组成的数组)，最后设置加载保护限值。
步骤六：用户再次触发测试，控制系统控制机器人关节1以运动速度运动至设定位置角度，然后角度编码器2记录当前位置为机器人关节1实际运动角度值，然后控制系统再控制机器人关节1以设定速度运动至初始位置，运动过程中上位机软件通过角度编码器2和转矩转速传感器3监控机器人关节1输出端的实时位置和加载转矩值，同时控制系统依据位置转矩数组应用PID算法调节不同位置下的负载转矩值，真实模拟机器人关节1的运动载荷。
步骤七：重复步骤六n次，受机器人关节1的机械结构、电控、测试工况等因素影响，机器人关节1每次运动的终点角度值会发生变化，上位机软件记录机器人关节1的n组实际运动角度值，该组数值反映了机器人关节1实际运动角度值与控制角度值的偏差，也即机器人关节1位置准确度，同时反映机器人关节运动的实际运动角度值的一致程度，也即机器人关节1的位置重复性，具体计算公式如下式(3)和式(4)所示：
Figure BDA0002305332180000061
Figure BDA0002305332180000062
上式(3)和式(4)中，：θAC为位置准确度；θRC为位置重复性；
Figure BDA0002305332180000063
为实际运动角度平均值；
θC为控制角度值；θi为第i次实际运动角度值；n为试验次数。
计算后获得的机器人关节1的位置准确度和位置重复性进行数据存储。
步骤八：测试完成后，步骤四中获得的机器人关节1的零点准确性和零点重复性以及步骤七中获得的机器人关节1的位置准确度和位置重复性通过系统输出用于评价机器人关节1的精度。

Claims (8)

1.一种机器人关节运动精度测量方法，其特征在于：采用的测试装置包括依次连接的角度编码器(2)、转矩转速传感器(3)和负载单元，所述负载单元包括伺服电机(5)，包括如下步骤：
步骤一：通过控制系统设置基本参数，包括机器人关节(1)零点位置和角度编码器(2)零点；
步骤二：通过控制系统设置零点参数，包括机器人关节(1)运动模式、位置角度、运动速度、机器人关节(1)回零模式、伺服电机(5)运动模式、加载转矩和转矩保护限值；
步骤三：触发测试，控制系统控制机器人关节(1)以步骤二中设定的运动速度运动至设定的位置角度，到达设定位置角度后，控制系统再控制机器人关节(1)运行至步骤一中设定的零点位置，然后角度编码器(2)记录当前位置为机器人关节(1)实际零点角度值；
步骤四：重复步骤三n次，获得机器人关节(1)的n组实际零点角度值，对n组实际零点角度值计算获得机器人关节(1)的零点准确性和零点重复性；
步骤五：在步骤四机器人关节(1)基础上，通过控制系统设置运动参数，包括机器人关节(1)运动模式、运动位置角度、运动速度、伺服电机(5)运动模式、机器人关节(1)不同位置下的加载转矩值和转矩保护限值；
步骤六：再次触发测试，控制系统控制机器人关节(1)以运动速度运动至设定位置角度，然后角度编码器(2)记录当前位置为机器人关节(1)实际运动角度值，然后控制系统再控制机器人关节(1)以设定速度运动至初始位置；
步骤七：重复步骤六n次，获得机器人关节(1)的n组实际运动角度值，对n组实际运动角度值计算获得机器人关节(1)的位置准确度和位置重复性；
步骤八：测试完成后，步骤四中获得的机器人关节(1)的零点准确性和零点重复性以及步骤七中获得的机器人关节(1)的位置准确度和位置重复性输出为评价机器人关节(1)精度提供依据。
2.根据权利要求1所述的机器人关节运动精度测量方法，其特征在于：步骤一中，将机器人关节(1)的初始位置设为机器人关节(1)零点位置，同时将角度编码器(2)置零，统一机器人关节(1)运动坐标系和测量坐标系。
3.根据权利要求1所述的机器人关节运动精度测量方法，其特征在于：步骤三中，控制系统通过转矩转速传感器(3)监控机器人关节(1)输出端的加载转矩，并采用PID算法闭环控制伺服电机(5)加载转矩。
4.根据权利要求1所述的机器人关节运动精度测量方法，其特征在于：步骤四中，机器人关节(1)的零点准确性和零点重复性计算如下：
Figure FDA0002305332170000021
Figure FDA0002305332170000022
上式(1)和式(2)中：ΔAZ为零点准确度；θRZ为零点重复性；θi为第i次实际零点角度值；n为试验次数。
5.根据权利要求1所述的机器人关节运动精度测量方法，其特征在于：步骤六中，控制系统通过角度编码器(2)和转矩转速传感器(3)监控机器人关节(1)输出端的实时位置和加载转矩值，并应用PID算法调节不同位置下的负载转矩值。
6.根据权利要求1所述的机器人关节运动精度测量方法，其特征在于：步骤七中，机器人关节(1)的位置准确度和位置重复性计算如下：
Figure FDA0002305332170000023
Figure FDA0002305332170000024
上式(3)和式(4)中，：θAC为位置准确度；θRC为位置重复性；
Figure FDA0002305332170000025
为实际运动角度平均值；
θC为控制角度值；θi为第i次实际运动角度值；n为试验次数。
7.根据权利要求1所述的机器人关节运动精度测量方法，其特征在于：所述负载单元包括伺服电机(5)和增速器(4)，且转矩转速传感器(3)、增速器(4)和伺服电机(5)依次相连。
8.根据权利要求1所述的机器人关节运动精度测量方法，其特征在于：所述控制系统包括工控机，且测试时在所述工控机的上位机软件中设置参数。
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