CN207223985U - 用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统 - Google Patents

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刘玉飞
訾斌
许德章
钱森
张席
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于华
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Abstract

本实用新型提供了一种用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，包括一台计算机C，在计算机C与机器人之间设有信号分析系统B5、检测模块B4与控制模块B3；其中，计算机C的接收端与信号分析系统B5的输出端相连；信号分析系统B5的接收端与检测模块B4的输出端相连接；计算机C的输出端与控制模块B3的接收端相连；控制模块B3的输出端与机器人的驱动系统相连接，检测模块B4与机器人的执行机构相连接。有益的技术效果：本实用新型实现机器人耦合动态信号的采样并传递至计算机，同时将计算机的控制指令传递至机器人的驱动电机。

Description

用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统。
背景技术
工业机器人在机械加工、上下料、喷涂等作业中有着广泛的应用，在作业过程中，机器人系统需要保持较好的动态性能和操作精度。目前，机器人系统的集成化程度越来越高，这必然增加了系统组成部件（如系统的驱动单元、传感单元、控制单元、传动机构和执行机构）之间的耦合作用。对于大功率重载机器人而言，系统的驱动单元、传动机构和执行机构之间的耦合作用，尤其驱动系统的机电耦合因素对系统的动力学特性影响更为明显。在执行高速操作任务时，机器人执行机构特别是末端关节臂存在一定的抖动现象（称为弹性振动），必然影响系统的操作精度、稳定性和使用寿命。因此，在设计和使用过程中需要对执行机构的动态特性进行分析测试。相关专利CN201110371711.6公开了一种并联机器人的正逆动力学响应分析与控制方法，其将并联机器人的各个分支链和动平台视为相互独立的子系统，分别求解各分支链子系统、动平台子系统的动力学方程，然后根据子系统间的约束方程，得到系统的正动力学方程和逆动力学方程。相关专利CN200910068500.8将移动平台和机械手视为整体，建立了履带式移动机械手的统一动力学建模，但他们都没有考虑子系统之间的耦合作用，尤其是驱动系统本身的机电耦合因素对动力学特性的影响。因此，如果采用通常方法将机器人驱动单元、传动机构和执行机构单独进行分析，忽略了耦合因素对系统动态性能的影响，将使分析的结果存在一定的误差甚至错误，必然影响整体系统的设计结果和控制效果。而且，现有分析方法通常采用理论建模计算，整个过程难度较大，耗时耗力，易于出错。
对机器人操作过程中产生的抖动现象，通常工程上是采取降低操作速度的方法进行抑制，这种方法首先制约了操作任务的顺利进行，降低了工作效率。其次，简单的降低操作速度缺乏理论指导，效果并不可观。在机器人系统的振动控制方面，专利CN201510113887.X公开了一种并联平台的振动控制装置与方法，专利 CN200810198924.1公开了一种模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制装置与方法，专利CN201310321779.2公开了一种模拟空间飞行器壁板结构颤振/振动控制装置与方法，这些相关专利采取的方法是在柔性杆或柔性结构上张贴智能材料形状记忆合金SMA弹簧或压电陶瓷片驱动器，通过控制结构的变形实现振动抑制的目的（通常称为主动控制），但是这种方法主要是针对柔性结构易于实施，而对于刚度较高的机器人关节臂而言，难以在其表面张贴微小柔软的智能材料使其产生变形，因此难以采用主动控制实现振动抑制。另一方面，智能材料的使用也无疑改变了系统结构且增加了成本。因此，需要在不使用智能材料的前提下，针对刚度相对较高的机器人关节臂，实用新型一种有效的动态特性优化或振动控制方法。为了实现该控制方法，急需提供一种系统，实现对机器人耦合动态特性分析与控制的目的。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种可用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，本实用新型具体如下：
用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，包括一台计算机C，在计算机C与机器人之间设有信号分析系统B5、检测模块B4与控制模块B3；其中，计算机C的接收端与信号分析系统B5的输出端相连；信号分析系统B5的接收端与检测模块B4的输出端相连接；计算机C的输出端与控制模块B3的接收端相连；控制模块B3的输出端与机器人的驱动系统相连接，检测模块B4与机器人的执行机构相连接。
进一步说，检测模块B4负责对机器人的运动进行监测，获得机器人的：负载的空间位置信号、负载的重量信号、机器人运动过程中的振动信号。
进一步说，信号分析系统B5负责将检测模块B4传递来的信号进行放大、去噪。
进一步说，控制模块B3负责将由计算机C传输来的计算机指令转换成电机控制信号，并传递给机器人的驱动系统进行执行。
进一步说，机器人由驱动系统、传动系统和执行机构3部分构成，所述执行机构包含至少一个末端操作臂，执行机构用于抓取负载。
进一步说，控制模块B3的输出端与机器人的驱动系统相连接，检测模块B4与机器人的执行机构相连接。
进一步说，控制模块B3包括运动控制器B31和抑振控制器B32，其中，通过运动控制器B31，将计算机C的运动轨迹指令传递至机器人电机并执行；通过抑振控制器B32，将计算机C的运动偏差纠正指令传递至机器人电机并执行。
进一步说，检测模块B4包括视觉传感器B41、载荷传感器B42和三轴加速度传感器B43，其中，视觉传感器B41用于检测机器人负载的空间位置；载荷传感器B42用于检测机器人负载的重量；三轴加速度传感器B43用于检测机器人运动过程中的振动信号；所述的视觉传感器B41、载荷传感器B42和三轴加速度传感器B43均安装在机器人的末端执行器上。
进一步说，所述的机器人的驱动系统采用电机驱动。
进一步说，在计算机内设有分析模块B2；所述分析模块B2负责将人工输入的参数转换成信号，并输入计算机C或控制模块B3。
有益的技术效果
本实用新型针对刚度相对较高的机器人关节臂，实用新型一种用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，实现机器人与计算机之间的信号传输：将机器人操作过程中的耦合动态信号进行采样并传递至计算机，同时将计算机的控制指令传递至机器人的驱动电机，确保计算机能够根据反馈的实时数据对机器人耦合动态特性进行分析与控制。本实用新型的优点还在于：
本实用新型提供了硬件系统，实现了对机器人耦合动态特性的采样、放大与滤波/去噪；该系统涵盖了现有机器人分析平台所缺失的对子系统之间的耦合作用——尤其是驱动系统本身的机电耦合因素，对动力学特性的影响。本实用新型极大降低了分析的结果所存在的误差甚至错误，提高了整体系统的设计结果和控制效果的精度。本实用新型克服了现有分析方法所通常采用理论建模计算而导致的计算过程难度较大，耗时耗力，易于出错的问题。
本实用新型避免使用智能材料形状记忆合金而导致的成本高、适用范围窄（对于刚度较高的机器人关节臂而言，难以在其表面张贴微小柔软的智能材料使其产生变形）等问题。
本实用新型的动态特性采样结果精度高，能有效避免现有技术因忽略耦合因素所造成的误差甚至错误的问题；本实用新型基于系统的模块化，易于实现，操作简单，避免了复杂的理论建模计算过程，降低了分析难度，可有效避免因大量计算求解而容易出错的问题；本实用新型可实现机器人操作过程中振动的反馈控制，且不使用智能材料，从而简化了系统的结构，降低了成本。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施例做进一步说明：
参见图1，用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，包括一台计算机C，在计算机C与机器人之间设有信号分析系统B5、检测模块B4与控制模块B3；其中，计算机C的接收端与信号分析系统B5的输出端相连；信号分析系统B5的接收端与检测模块B4的输出端相连接；计算机C的输出端与控制模块B3的接收端相连；控制模块B3的输出端与机器人的驱动系统相连接，检测模块B4与机器人的执行机构相连接。
进一步说，检测模块B4负责对机器人的运动进行检测，获得机器人的：负载的空间位置信号、负载的重量信号、机器人运动过程中的振动信号。
进一步说，信号分析系统B5负责将检测模块B4传递来的信号进行放大、去噪。
进一步说，控制模块B3负责将由计算机C传输来的计算机指令转换成电机控制信号，并传递给机器人的驱动系统进行执行。
进一步说，机器人由驱动系统、传动系统和执行机构3部分构成，所述执行机构包含至少一个末端操作臂，执行机构用于抓取负载。
进一步说，控制模块B3的输出端与机器人的驱动系统相连接，检测模块B4与机器人的执行机构相连接。
进一步说，控制模块B3包括运动控制器B31和抑振控制器B32，其中，通过运动控制器B31，将计算机C的运动轨迹指令传递至机器人电机并执行；通过抑振控制器B32，将计算机C的运动偏差纠正指令传递至机器人电机并执行。
进一步说，检测模块B4包括视觉传感器B41、载荷传感器B42和三轴加速度传感器B43，其中，视觉传感器B41用于检测机器人负载的空间位置；载荷传感器B42用于检测机器人负载的重量；三轴加速度传感器B43用于检测机器人运动过程中的振动信号；所述的视觉传感器B41、载荷传感器B42和三轴加速度传感器B43均安装在机器人的末端执行器上。
进一步说，所述的机器人的驱动系统采用电机驱动。
进一步说，在计算机内设有分析模块B2；所述分析模块B2负责将人工输入的参数转换成信号，并输入计算机C或控制模块B3。

Claims (6)

1.用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，包括一台计算机C，其特征在于：在计算机C与机器人之间设有信号分析系统(B5)、检测模块(B4)与控制模块(B3)其中，计算机C的接收端与信号分析系统(B5)的输出端相连；信号分析系统(B5)的接收端与检测模块(B4)的输出端相连接；计算机C的输出端与控制模块(B3)的接收端相连；控制模块(B3)的输出端与机器人的驱动系统相连接，检测模块(B4)与机器人的执行机构相连接；
检测模块(B4)负责对机器人的运动进行检测，获得机器人的负载的空间位置信号、负载的重量信号、机器人运动过程中的振动信号；
信号分析系统(B5)负责将检测模块(B4)传递来的信号进行放大、去噪；
控制模块(B3)负责将由计算机C传输来的计算机指令转换成电机控制信号，并传递给机器人的驱动系统进行执行。
2.根据权利要求l所述的用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，其特征在于：机器人由驱动系统、传动系统和执行机构3部分构成，所述执行机构包含至少一个末端操作臂，执行机构用于抓取负载。
3.根据权利要求2所述的用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，其特征在于：控制模块(B3)包括运动控制器(B31)和抑振控制器(B32)，其中，通过运动控制器(B31),将计算机C的运动轨迹指令传递至机器人电机并执行；通过抑振控制器(B32)，将计算机C的运动偏差纠正指令传递至机器人电机并执行。
4.根据权利要求2所述的用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，其特征在于：检测模块(B4)包括视觉传感器(B41)、载荷传感器(B42)和三轴加速度传感器(B43)，其中，
视觉传感器(B41)用于检测机器人负载的空间位置；
载荷传感器(B42)用于检测机器人负载的重量；
三轴加速度传感器(B43)用于检测机器人运动过程中的振动信号；
所述的视觉传感器(B41)、载荷传感器(B42)和三轴加速度传感器(B43)均安装在机器人的末端执行器上。
5.根据权利要求2所述的用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，其特征在于：机器人的驱动系统采用电机驱动。
6.根据权利要求2所述的用于机器人耦合动态特性分析与控制的系统，其特征在于：在计算机内设有分析模块(B2)所述分析模块(B2)负责将人工输入的参数转换成信号，并输入计算机C或控制模块(B30)。
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