CN113967925A - 用于测量工业机器人关节抖动的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量工业机器人关节抖动的测量装置及测量方法，工业机器人包括机座、末端和N个关节；测量装置包括分别设于末端和N个关节上的N+1个三向加速度计；所述三向加速度计与PXI控制器电连接，PXI控制器与上位机电连接。本发明具有测量效率高、测量准确性好的特点，可以准确测量出关节的抖动对末端抖动的贡献系数。

Description

用于测量工业机器人关节抖动的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，尤其是涉及一种测量效率高、测量准确性好的用于测量工业机器人关节抖动的测量装置及测量方法。

背景技术

工业机器人的工作性能直接决定了生产质量和效率，然而由于减速器等柔性部件的存在，工业机器人在启动或者大负载高速运动时，末端会产生比较大的抖动，严重降低工业机器人的末端精度。为此，要对工业机器人末端的抖动进行准确测量，分析对末端抖动贡献大的关节，然后通过提高对应关节的刚度，减少关节的抖动，降低工业机器人末端的抖动，提高工业机器人的末端精度。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的工业机器人在启动或者大负载高速运动时，末端会产生比较大的抖动的不足，提供了一种测量效率高、测量准确性好的用于测量工业机器人关节抖动的测量装置及测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于测量工业机器人关节抖动的测量装置，工业机器人包括机座、末端和N个关节；测量装置包括分别设于末端和N个关节上的N+1个三向加速度计；所述三向加速度计与PXI控制器电连接，PXI控制器与上位机电连接，N≥2；机座与底座连接，底座下部设有若干个滚轮，底座包括下部减震结构和上部抖动机构；上部抖动机构包括与下部减震结构连接的竖杆，套设于竖杆上的弹簧，通过圆孔与竖杆上部的外周面滑动连接的水平板，与下部减震结构连接的限位竖筒，设于限位竖筒上的用于控制钢珠落到水平板上的钢珠下落机构；机座下表面上设有凹槽，竖杆插入凹槽中，竖杆上端和凹槽顶部之间设有弹性垫；水平板外侧面与限位竖筒内侧壁滑动连接，机座与水平板固定连接。

下部减震结构用于隔离地面的震动，防止地面的震动对检测产生干扰，确保检测的准确性，上部抖动机构用于给工业机器人的机座提供冲击力，使检测到的抖动幅值变大，从而进一步提高检测的准确定。

在工业机器人零位状态下，将N+1个三向加速度计通过螺纹刚性连接在工业机器人的末端中心以及N个关节中心处，并使三向加速度计的X、Y、Z方向与工业机器人机座坐标系重合，所述三向加速度计用于采集所述工业机器人末端和各关节的抖动信号。每个三向加速度计将采集到的抖动信号传递给信号调理电路进行放大和模拟滤波，放大和滤波后的模拟信号经过A/D转换模块变成数字信号，所述数字信号经PXI总线传递给PXI控制器中的RAM模块进行存储，PXI控制器用于保证N+1个三向加速度计可以同步采集并传输抖动数据，PXI控制器通过USB接口将抖动数据传递给上位机进行数据分析与处理，得到工业机器人末端和各关节的抖动特性。在进行工业机器人抖动测量前，需对工业机器人进行校准。

作为优选，所述钢珠下落机构包括横向延伸的壳体，设于壳体左侧的气缸；气缸的伸缩杆伸入壳体中，壳体左上部和右下部均设有钢珠过孔，伸缩杆右端与推板连接。

作为优选，所述下部减震结构包括与各个滚轮连接的水平下钢板，设于水平下钢板上表面的水平聚四氟乙烯板，和与水平聚四氟乙烯板上表面连接的水平上钢板。

水平聚四氟乙烯板一定柔韧性，能够隔离地面的震动，避免检测过程中，地面的震动对检测产生干扰。

作为优选，机座外侧设有圆环，圆环通过若干个螺钉与水平板固定连接；所述限位筒包括圆形围板和设于圆形围板上端的环形挡板。

作为优选，圆形围板的内侧壁上设有L条竖向滑槽，水平板的外侧面上设有L个滑块，各个滑块分别与各条竖向滑槽滑动连接，L≥2。

一种用于测量工业机器人关节抖动的测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，使工业机器人各个关节保持不动，从设定的试验路径的起点开始，工业机器人以设定的速度沿试验路径运行至试验路径的终点后，使工业机器人停止运行若干秒；

然后，工业机器人从设定的试验路径的终点开始，以设定的速度沿试验路径运行至试验路径的起点后，使工业机器人停止运行若干秒，上述过程为1个测试循环；

在工业机器人沿试验路径往复运行的过程中，钢珠下落机构控制若干个钢珠等间隔的落到水平板上；

在终点和起点停顿的目的是，使被校工业机器人有足够的时间达到静止状态；

步骤2，重复步骤1，等到上位机采集了完整的3个测试循环的数据后，使工业机器人停止运行；

步骤3，对于每个三向加速度计，上位机取一个测试循环的FFT信号，进行FFT分析：

将FFT信号以线性幅值谱显示，观察谱图的幅值分布，在幅值分布频率的基础上增加2Hz至3Hz作为高通滤波截止频率，对FFT信号进行高通滤波；对FFT信号进行二次积分，获得抖动信号；

步骤4，对于每个关节的三向加速度计获得的抖动信号，上位机利用峰峰值计算方法，计算抖动信号的最大抖动峰峰值；

步骤5，上位机读取每个测试循环的末端和各个关节点的最大抖动峰峰值，计算得到每个关节抖动对末端抖动的贡献系数。

如果得到某几个关节的抖动对末端抖动贡献系数较大，研发人员通过改变关节的材料来提高关节的刚度，降低关节的抖动，从而降低工业机器人末端的抖动，提高工业机器人的末端精度。

作为优选，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4-1，在抖动信号中选取一个时间周期T的数据段，找出数据段内抖动信号的各个交零点，得到交零点的总数M2；设定s为交零点的序号，s的初始值为1；

步骤4-2，找出第s个交零点和第s+2个交零点之间的最大正信号值和最大负信号值；

步骤4-3，计算最大正信号值和最大负信号值的绝对值的和，得到峰峰值P_s(s+1)(s+2)；

步骤4-4，当s＜(M2-2)，使s的值增加1，返回步骤2；当s＝(M2-2)，得到数据段内抖动信号所有的峰峰值；

步骤4-5，计算所有的峰峰值的最大值P_max，将P_max作为抖动信号的最大抖动峰峰值。

作为优选，所述步骤5包括如下步骤：

步骤5-1，各个关节的抖动引起工业机器人末端的抖动，设定末端抖动值与各关节抖动值之间的关系如下：

其中，F_m(ω)表示工业机器人末端抖动的理论频谱，F_i(ω)表示第i个关节抖动的理论频谱，A_i表示第i个关节的抖动对末端抖动的贡献系数预估值，ω为抖动信号的角频率；

其中，y(t)_m为末端的三向加速度计的抖动信号，y(t)_i为第i个关节的三向加速度计的抖动信号；

设定工业机器人末端的实际频谱与理论频谱之间的误差为e(ω)：

其中，F_m'(ω)为工业机器人末端的抖动信号的实际频谱；

为使理论频谱尽可能与实际频谱相近，采用最小二乘法获得残差函数min e(ω)：

min e(ω)为工业机器人末端理论频谱和实际频谱的最小二乘残差函数，F_m'(ω_i1)为工业机器人末端抖动在ω_i1频率点的实际频谱值，F_m(ω_i1)为工业机器人末端抖动在ω_i1频率点的理论频谱值，M为选取的频率点数，M≥N，i1为频率点的序号；

步骤5-2，设定min e(ω)最小，求解出每个A_i值，设末端实际的最大抖动峰峰值与理论的最大抖动峰峰值之间的误差为e(ΔA_i)：

其中，P_m'表示工业机器人末端实际的最大抖动峰峰值，P_m表示工业机器人末端理论的最大抖动峰峰值，P_i表示第i个关节的实际的最大抖动峰峰值，ΔA_i为每个预估值A_i对应的修正值；

步骤5-3，重复M1次步骤1至步骤2，M1≥N，得到M1+1个A_i，利用最小二乘法获得每个A_i的ΔA_i值，将ΔA_i补偿给每个A_i值，对A_i值进行修正，修正后的A_i值即为第i个关节抖动对末端抖动的贡献系数。

因此，本发明具有如下有益效果：测量效率高、测量准确性高，可以准确测量出关节的抖动对工业机器人末端的抖动的贡献系数，为研发人员对机器人关节性能的改进提供可靠的数据基础。

附图说明

图1是本发明的底座的一种局部剖视图；

图2是本发明的工业机器人的一种结构示意图；

图3是本发明的抖动信号的一种示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图2所示的实施例是一种用于测量工业机器人关节抖动的测量装置，工业机器人包括机座10、末端11和6个关节12；测量装置包括分别设于末端和6个关节上的7个三向加速度计13；三向加速度计与PXI控制器电连接，PXI控制器与上位机电连接；如图1所示，机座与底座2连接，底座下部设有4个滚轮21，底座包括下部减震结构22和上部抖动机构23；上部抖动机构包括与下部减震结构连接的竖杆231，套设于竖杆上的弹簧232，通过圆孔与竖杆上部的外周面滑动连接的水平板233，与下部减震结构连接的限位竖筒234，设于限位竖筒上的用于控制钢珠落到水平板上的钢珠下落机构235；机座下表面上设有凹槽101，竖杆插入凹槽中，竖杆上端和凹槽顶部之间设有弹性垫1011；机座外侧设有圆环102，圆环通过多个螺钉与水平板固定连接。

钢珠下落机构包括横向延伸的壳体2351，设于壳体左侧的气缸2352；气缸的伸缩杆2353伸入壳体中，壳体左上部和右下部均设有钢珠过孔2354，伸缩杆右端与推板连接。

下部减震结构包括与各个滚轮连接的水平下钢板221，设于水平下钢板上表面的水平聚四氟乙烯板222，和与水平聚四氟乙烯板上表面连接的水平上钢板223。

限位筒包括圆形围板2341和设于圆形围板上端的环形挡板2342。

圆形围板的内侧壁上设有4条竖向滑槽23411，水平板的外侧面上设有4个滑块2331，各个滑块分别与各条竖向滑槽滑动连接。

在进行工业机器人抖动测量前，需对工业机器人进行校准。按表1的试验条件进行校准。

表1-工业机器人末端抖动试验条件

一种用于测量工业机器人关节抖动的测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1，使工业机器人各个关节保持不动，从设定的试验路径的起点开始，工业机器人以设定的速度沿试验路径运行至试验路径的终点后，使工业机器人停止运行5秒；

然后，工业机器人从设定的试验路径的终点开始，以设定的速度沿试验路径运行至试验路径的起点后，使工业机器人停止运动5秒，上述过程为一个测试循环；

在工业机器人沿试验路径往复运行的过程中，工作人员每隔10分钟将一个钢珠放到壳体中，气缸带动推板将钢珠推落到水平板上，工作人员及时将水平板上的钢珠捡起来；

钢珠落到水平板上之后，给水平板带来冲击，使水平板带动机座上下移动及抖动，各个关节抖动，各个三向加速度计检测到的抖动信号的幅值较大。

在终点和起点停顿的目的是，使被校工业机器人有足够的时间达到静止状态；

步骤2，重复步骤1，等到上位机采集了完整的3个测试循环的数据后，使工业机器人停止运行；

步骤3，对于每个三向加速度计，上位机取一个测试循环的FFT信号，进行FFT分析：

将FFT信号以线性幅值谱显示，观察谱图的幅值分布，在幅值分布频率的基础上增加2Hz至3Hz作为高通滤波截止频率，对FFT信号进行高通滤波，去除运行信号；对FFT信号进行二次积分，获得抖动信号；

步骤4，对于每个关节的三向加速度计获得的抖动信号，上位机利用峰峰值计算方法，计算抖动信号的最大抖动峰峰值；

如图3所示，

步骤4-1，在抖动信号中选取一个时间周期30秒的数据段，找出数据段内抖动信号的各个交零点，得到交零点的总数M2；设定s为交零点的序号，s的初始值为1；

步骤4-2，找出第s个交零点和第s+2个交零点之间的最大正信号值和最大负信号值；

步骤4-3，计算最大正信号值和最大负信号值的绝对值的和，得到峰峰值P_s(s+1)(s+2)；

步骤4-4，当s＜(M2-2)，使s的值增加1，返回步骤2；当s＝(M2-2)，得到数据段内抖动信号所有的峰峰值；

步骤4-5，计算所有的峰峰值的最大值P_max，将P_max作为抖动信号的最大抖动峰峰值。

步骤5，上位机读取每个测试循环的末端和各个关节点的最大抖动峰峰值，计算得到每个关节抖动对末端抖动的贡献系数：

步骤5-1，各个关节的抖动引起工业机器人末端的抖动，设定末端抖动值与各关节抖动值之间的关系如下：

其中，F_m(ω)表示工业机器人末端抖动的理论频谱，F_i(ω)表示第i个关节抖动的理论频谱，A_i表示第i个关节的抖动对末端抖动的贡献系数预估值，ω为抖动信号的角频率；

其中，y(t)_m为末端的三向加速度计的抖动信号，y(t)_i为第i个关节的三向加速度计的抖动信号；

设定工业机器人末端的实际频谱与理论频谱之间的误差为e(ω)：

其中，F_m'(ω)为工业机器人末端的抖动信号的实际频谱；

为使理论频谱尽可能与实际频谱相近，采用最小二乘法获得残差函数min e(ω)：

min e(ω)为工业机器人末端理论频谱和实际频谱的最小二乘残差函数，F_m'(ω_i1)为工业机器人末端抖动在ω_i1频率点的实际频谱值，

F_m(ω_i1)为工业机器人末端抖动在ω_i1频率点的理论频谱值，20为选取的频率点数，i1为频率点的序号；

步骤5-2，设定min e(ω)最小，求解出每个A_i值，设末端实际的最大抖动峰峰值与理论的最大抖动峰峰值之间的误差为e(ΔA_i)：

其中，P_m'表示工业机器人末端实际的最大抖动峰峰值，P_m表示工业机器人末端理论的最大抖动峰峰值，P_i表示第i个关节的实际的最大抖动峰峰值，ΔA_i为每个预估值A_i对应的修正值；

步骤5-3，重复7次步骤1至步骤2，得到8个A_i，利用最小二乘法获得每个A_i的ΔA_i值，将ΔA_i补偿给每个A_i值，对A_i值进行修正，修正后的A_i值即为第i个关节抖动对末端抖动的贡献系数。

本实施例中，得到第2个关节的抖动对末端抖动贡献系数较大，研发人员通过改变第2个关节的材料来提高第2个关节的刚度，降低第2个关节的抖动，从而降低工业机器人末端的抖动，提高工业机器人的末端精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于测量工业机器人关节抖动的测量装置，工业机器人包括机座(10)、末端(11)和N个关节(12)；其特征是，测量装置包括分别设于末端和N个关节上的N+1个三向加速度计(13)；所述三向加速度计与PXI控制器电连接，PXI控制器与上位机电连接，N≥2；机座与底座(2)连接，底座下部设有若干个滚轮(21)，底座包括下部减震结构(22)和上部抖动机构(23)；上部抖动机构包括与下部减震结构连接的竖杆(231)，套设于竖杆上的弹簧(232)，通过圆孔与竖杆上部的外周面滑动连接的水平板(233)，与下部减震结构连接的限位竖筒(234)，设于限位竖筒上的用于控制钢珠落到水平板上的钢珠下落机构(235)；机座下表面上设有凹槽(101)，竖杆插入凹槽中，竖杆上端和凹槽顶部之间设有弹性垫(1011)；水平板外侧面与限位竖筒内侧壁滑动连接，机座与水平板固定连接。

2.根据权利要求1所述的用于测量工业机器人关节抖动的测量装置，其特征是，所述钢珠下落机构包括横向延伸的壳体(2351)，设于壳体左侧的气缸(2352)；气缸的伸缩杆(2353)伸入壳体中，壳体左上部和右下部均设有钢珠过孔(2354)，伸缩杆右端与推板连接。

3.根据权利要求1所述的用于测量工业机器人关节抖动的测量装置，其特征是，所述下部减震结构包括与各个滚轮连接的水平下钢板(221)，设于水平下钢板上表面的水平聚四氟乙烯板(222)，和与水平聚四氟乙烯板上表面连接的水平上钢板(223)。

4.根据权利要求1所述的用于测量工业机器人关节抖动的测量装置，其特征是，机座外侧设有圆环(102)，圆环通过若干个螺钉与水平板固定连接；所述限位筒包括圆形围板(2341)和设于圆形围板上端的环形挡板(2342)。

5.根据权利要求4所述的用于测量工业机器人关节抖动的测量装置，其特征是，圆形围板的内侧壁上设有L条竖向滑槽(23411)，水平板的外侧面上设有L个滑块(2331)，各个滑块分别与各条竖向滑槽滑动连接，L≥2。

6.一种基于权利要求1所述的用于测量工业机器人关节抖动的测量装置的测量方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，使工业机器人各个关节保持不动，从设定的试验路径的起点开始，工业机器人以设定的速度沿试验路径运行至试验路径的终点后，使工业机器人停止运行若干秒；

然后，工业机器人从设定的试验路径的终点开始，以设定的速度沿试验路径运行至试验路径的起点后，使工业机器人停止运行若干秒，上述过程为1个测试循环；

在工业机器人沿试验路径往复运行的过程中，钢珠下落机构控制若干个钢珠等间隔的落到水平板上；

步骤2，重复步骤1，等到上位机采集了完整的3个测试循环的数据后，使工业机器人停止运行；

步骤3，对于每个三向加速度计，上位机取一个测试循环的FFT信号，进行FFT分析：

将FFT信号以线性幅值谱显示，观察谱图的幅值分布，在幅值分布频率的基础上增加2Hz至3Hz作为高通滤波截止频率，对FFT信号进行高通滤波；对FFT信号进行二次积分，获得抖动信号；

步骤4，对于每个关节的三向加速度计获得的抖动信号，上位机利用峰峰值计算方法，计算抖动信号的最大抖动峰峰值；

步骤5，上位机读取每个测试循环的末端和各个关节点的最大抖动峰峰值，计算得到每个关节抖动对末端抖动的贡献系数。

7.根据权利要求6所述的用于测量工业机器人关节抖动的测量装置的测量方法，其特征是，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4-1，在抖动信号中选取一个时间周期T的数据段，找出数据段内抖动信号的各个交零点，得到交零点的总数M2；设定s为交零点的序号，s的初始值为1；

步骤4-2，找出第s个交零点和第s+2个交零点之间的最大正信号值和最大负信号值；

步骤4-3，计算最大正信号值和最大负信号值的绝对值的和，得到峰峰值P_s(s+1)(s+2)；

步骤4-4，当s＜(M2-2)，使s的值增加1，返回步骤2；当s＝(M2-2)，得到数据段内抖动信号所有的峰峰值；

步骤4-5，计算所有的峰峰值的最大值P_max，将P_max作为抖动信号的最大抖动峰峰值。

8.根据权利要求6所述的用于测量工业机器人关节抖动的测量装置的测量方法，其特征是，所述步骤5包括如下步骤：

步骤5-1，各个关节的抖动引起工业机器人末端的抖动，设定末端抖动值与各关节抖动值之间的关系如下：

其中，F_m(ω)表示工业机器人末端抖动的理论频谱，F_i(ω)表示第i个关节抖动的理论频谱，A_i表示第i个关节的抖动对末端抖动的贡献系数预估值，ω为抖动信号的角频率；

其中，y(t)_m为末端的三向加速度计的抖动信号，y(t)_i为第i个关节的三向加速度计的抖动信号；

设定工业机器人末端的实际频谱与理论频谱之间的误差为e(ω)：

其中，F_m'(ω)为工业机器人末端的抖动信号的实际频谱；

为使理论频谱尽可能与实际频谱相近，采用最小二乘法获得残差函数mine(ω)：

mine(ω)为工业机器人末端理论频谱和实际频谱的最小二乘残差函数，F_m'(ω_i1)为工业机器人末端抖动在ω_i1频率点的实际频谱值，F_m(ω_i1)为工业机器人末端抖动在ω_i1频率点的理论频谱值，M为选取的频率点数，M≥N，i1为频率点的序号；

步骤5-2，设定mine(ω)最小，求解出每个A_i值，设末端实际的最大抖动峰峰值与理论的最大抖动峰峰值之间的误差为e(ΔA_i)：

其中，P_m'表示工业机器人末端实际的最大抖动峰峰值，P_m表示工业机器人末端理论的最大抖动峰峰值，P_i表示第i个关节的实际的最大抖动峰峰值，ΔA_i为每个预估值A_i对应的修正值；

步骤5-3，重复M1次步骤1至步骤2，M1≥N，得到M1+1个A_i，利用最小二乘法获得每个A_i的ΔA_i值，将ΔA_i补偿给每个A_i值，对A_i值进行修正，修正后的A_i值即为第i个关节抖动对末端抖动的贡献系数。

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