專利名稱：一種機(jī)器人專用關(guān)節(jié)特性檢測與參數(shù)調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人裝置，尤其是一種工業(yè)機(jī)器人用高精密減速機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性 能參數(shù)測試和辨識(shí)、同時(shí)完成對于伺服電機(jī)的參數(shù)等效配置的機(jī)器人專用關(guān)節(jié)特性檢測與 參數(shù)調(diào)節(jié)裝置。
背景技術(shù)：
用于工業(yè)機(jī)器人的高精度減速機(jī)其動(dòng)力學(xué)特性對與機(jī)器人的性能，效率，壽命影 響很大，對于這些特性參數(shù)的獲取可用于對機(jī)器人精度進(jìn)行算法補(bǔ)償，有利于在不增加硬 件成本的基礎(chǔ)上大幅度提高機(jī)器人的性能指標(biāo)。并且還可以對減速機(jī)的出場參數(shù)進(jìn)行檢 測，便于進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人整機(jī)的品質(zhì)管理。目前尚無類似裝置能完成相應(yīng)的測試。同時(shí)機(jī)器人在進(jìn)行伺服電機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)往往將電機(jī)安裝在機(jī)器人的機(jī)械本體上， 由于調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的PID參數(shù)，需要對帶載狀態(tài)下的電機(jī)進(jìn)行多次白噪聲掃頻，或是速度 階躍響應(yīng)測試，這種調(diào)試如果參數(shù)選擇不合適的話，很有可能會(huì)對機(jī)械本體產(chǎn)生沖擊和傷 害。因此調(diào)節(jié)單軸參數(shù)時(shí)需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，通過慣量等效的方法，調(diào)節(jié)玩參數(shù)后再裝到本 體上，如果等效有些誤差，參數(shù)即使不是最優(yōu)的化，也僅需進(jìn)行少量的微調(diào)，從而避免了對 整個(gè)機(jī)器人本體的沖擊和損傷。

發(fā)明內(nèi)容
為對獲得工業(yè)機(jī)器人專用減速機(jī)的精確動(dòng)態(tài)特性和模型，同時(shí)對機(jī)器人用伺服電 機(jī)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和調(diào)節(jié)，本發(fā)明提供了一種機(jī)器人專用關(guān)節(jié)特性檢測與參數(shù)調(diào)節(jié)裝置。本發(fā)明通過下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種機(jī)器人專用關(guān)節(jié)特性檢測與參數(shù)調(diào)節(jié)裝置， 具有控制與處理單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元和減速機(jī)與負(fù)載單元，所述控制與處理單元跟伺服驅(qū) 動(dòng)單元、減速機(jī)與負(fù)載單元通過高速通訊總線進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸，伺服驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng) 減速機(jī)與負(fù)載單元。所述伺服驅(qū)動(dòng)單元包括具有電流實(shí)時(shí)反饋接口的高動(dòng)態(tài)性能的伺服電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)端17位高精度編碼器和高動(dòng)態(tài)性能的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過線路 連接控制17位高精度編碼器和伺服電機(jī)。所述減速機(jī)與負(fù)載單元包括測試用的減速器、可 變慣量負(fù)載和減速器負(fù)載端24位高精度編碼器。具有高速通訊總線接口的和實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的控制與處理單元，通常為嵌入實(shí)時(shí)系 統(tǒng)和具有工業(yè)以太網(wǎng)接口的工控機(jī)，其完成運(yùn)動(dòng)指令生成，并通過高速通訊總線(工業(yè)以 太網(wǎng))將運(yùn)動(dòng)指令傳輸?shù)礁邉?dòng)態(tài)性能伺服驅(qū)動(dòng)器中。具有實(shí)時(shí)電流反饋的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 為整個(gè)裝置提供動(dòng)力源，并且將電流信號(hào)同樣通過高速通訊總線返回到控制與處理單元的 控制器中，控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和后處理。由于電流信號(hào)與電機(jī)力矩信號(hào)的線性度很高， 所以通過對電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采集即可認(rèn)為對力矩信號(hào)進(jìn)行了實(shí)時(shí)獲取。伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺 服電機(jī)，在電機(jī)端裝有17位高精度編碼器，完成電機(jī)轉(zhuǎn)子角度的測量。伺服電機(jī)帶動(dòng)減速 機(jī)，減速機(jī)連接負(fù)載可調(diào)的可變慣量負(fù)載，通過對于不同慣量負(fù)載的測試，在負(fù)載端裝有24 位高精度編碼器，完成減速機(jī)輸出端角度的測量。多次采集數(shù)據(jù)，采用最小二乘法可以獲得
3減速機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，或者完成對于特定伺服參數(shù)下，改關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)性能評估。本發(fā)明可以用于對于工業(yè)機(jī)器人用高精密減速機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測試和辨識(shí)， 同時(shí)完成對于伺服電機(jī)的參數(shù)等效配置，該裝置各種具體應(yīng)用如下1檢測減速機(jī)剛度、阻尼、間隙等對特性曲線，通過對這些非線性環(huán)節(jié)的辨識(shí)，獲得 減速器準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型，為機(jī)器人的精度補(bǔ)償，高動(dòng)態(tài)性能伺服控制算法提供模型基礎(chǔ)2對減速機(jī)的各出廠指標(biāo)進(jìn)行檢測，是對機(jī)器人系統(tǒng)集成進(jìn)行品質(zhì)管理的基礎(chǔ)。3可以對伺服電機(jī)，關(guān)節(jié)頻譜進(jìn)行測試，采用等效慣量的思想，等效測出改關(guān)節(jié)在 進(jìn)行解耦補(bǔ)償后的頻譜特性曲線，并進(jìn)行最優(yōu)的伺服控制參數(shù)設(shè)置。避免整機(jī)測試的危險(xiǎn) 性和對機(jī)械本體的沖擊和損傷。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的剛度特性曲線。圖中1、具有高速通訊總線接口的和實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器2、高速通訊總線(工業(yè)以太網(wǎng))3、具有電流實(shí)時(shí)反饋接口的高動(dòng)態(tài)性能伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4、電機(jī)端17位高精度編碼器5、高動(dòng)態(tài)性能的伺服電機(jī)(一般即為與減速機(jī)所配套的電機(jī))6、測試用的減速器7、可變慣量負(fù)載8、減速器負(fù)載端24位高精度編碼器9、減速機(jī)與負(fù)載單元10、伺服驅(qū)動(dòng)單元11、控制與處理單元
具體實(shí)施例方式如圖1所示一種機(jī)器人專用關(guān)節(jié)特性檢測與參數(shù)調(diào)節(jié)裝置，具有控制與處理單元 11、伺服驅(qū)動(dòng)單元10和減速機(jī)與負(fù)載單元9，所述控制與處理單元11跟伺服驅(qū)動(dòng)單元10、 減速機(jī)與負(fù)載單元9通過高速通訊總線2進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸，伺服驅(qū)動(dòng)單元10驅(qū)動(dòng)減 速機(jī)與負(fù)載單元9。所述伺服驅(qū)動(dòng)單元10包括具有電流實(shí)時(shí)反饋接口的高動(dòng)態(tài)性能的伺 服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3、電機(jī)端17位高精度編碼器4和高動(dòng)態(tài)性能的伺服電機(jī)5，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 3通過線路連接控制17位高精度編碼器4和伺服電機(jī)5。所述減速機(jī)與負(fù)載單元9包括測 試用的減速器6、可變慣量負(fù)載7和減速器負(fù)載端24位高精度編碼器8。測試方法(參考Ghorbel方法)1減速機(jī)剛度特性曲線將減速機(jī)輸出端用強(qiáng)度和剛度足夠大的螺栓進(jìn)行剛性連接在裝置基座上，這樣減 速機(jī)的輸出端可以近似認(rèn)為轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0，在對電機(jī)的進(jìn)行極低速轉(zhuǎn)動(dòng)，確保極低速，一般 為額定轉(zhuǎn)速的1%，速度過高可能會(huì)損壞減速機(jī)和電機(jī)，同時(shí)會(huì)增加摩擦和阻尼對測試結(jié)果 的影響。通過工控機(jī)檢測電機(jī)端編碼器反饋的轉(zhuǎn)角e，電機(jī)電流反饋I，由于伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩 電流成線性關(guān)系，所以由下述公式可得電機(jī)轉(zhuǎn)矩值如下T = K。I，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩逐步加大，實(shí)時(shí)記錄電機(jī)端編碼器轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)矩值，并監(jiān)測轉(zhuǎn)矩，當(dāng)其達(dá)到減速機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的20%時(shí)，停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。忽略阻尼的影響，將關(guān) 節(jié)近似由關(guān)節(jié)扭簧模型如下式，可得關(guān)節(jié)剛度的近似值，或者可以得到剛度特性曲線，如圖 2 所示，K = T/ e。2間隙測試在完成剛度測試的同時(shí)，減速機(jī)間隙也能由測試所得曲線近似求出，如圖2所示。3減速機(jī)阻尼特性與摩擦模型測試由第一步已經(jīng)可以近似得到減速機(jī)的剛度值，下一步考慮減速機(jī)的摩擦模型。首 先讓減速機(jī)在帶額定負(fù)載的情況下工作在勻速狀態(tài)，轉(zhuǎn)速分別設(shè)為額定轉(zhuǎn)速的30%，60%， 100%進(jìn)行多次測量，這樣可以近似認(rèn)為此時(shí)電機(jī)力矩主要為關(guān)節(jié)的摩擦轉(zhuǎn)矩(正常情況 下電機(jī)轉(zhuǎn)子摩擦轉(zhuǎn)矩很小，可以忽略不計(jì))。對電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，從而完成摩擦模型就行 參數(shù)辨識(shí)。一般采用在目前較為符合實(shí)際特性的Stribeck模型，其完整的模型描述如下
Tf (0) = F0 sgn(0) + Fv0 + Fs[1 - f (_)]多次測量然后可以對其中的參數(shù)F。，F(xiàn)v，F(xiàn)s，V。進(jìn)行最小二乘擬和。4伺服電機(jī)控制參數(shù)最優(yōu)化調(diào)節(jié)由于在工業(yè)機(jī)器人高精度伺服系統(tǒng)中，需要進(jìn)行計(jì)算力矩控制，以提高其動(dòng)態(tài)性 能，其基本方法如下計(jì)算力矩控制律，消除系統(tǒng)耦合項(xiàng)r = M{q)u + C{q,q)q + G(q)M, C, d都為建模所得的相應(yīng)矩陣j，^為反饋測得的位置、速度。由于系統(tǒng)真實(shí)動(dòng)力學(xué)方程為t = M(q)q + C(q, q)q + G(q)則有以下系統(tǒng)方程 M{q)q + C{q,q)q + G{q) = M(q)u + C{q, q)q + G{q)若以上各測量量和模型比較準(zhǔn)確的話則有，非線性項(xiàng)將會(huì)比較小，上述系統(tǒng)方程 可以近似為定慣量線性系統(tǒng)Meq = u其中M6等效慣量，可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載慣量至軋，然后進(jìn)行伺服電機(jī)參數(shù)最優(yōu)化調(diào) 節(jié)，具體可以做以下內(nèi)容(1)階躍速度和位置信號(hào)進(jìn)行電機(jī)速度環(huán)和位置環(huán)的參數(shù)調(diào)節(jié)由于階躍信號(hào)沖擊很大，直接在機(jī)器人本體上進(jìn)行容易對機(jī)械本體產(chǎn)生損傷，而 在測試臺(tái)上就不存在這個(gè)問題。通過這步調(diào)節(jié)可以完成對伺服驅(qū)動(dòng)器PID參數(shù)的尋優(yōu)。(2)掃頻模型對電機(jī)的位置環(huán)賀速度環(huán)進(jìn)行全頻段的信號(hào)掃頻，找出諧振點(diǎn)，從而可以對伺服 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行合理的濾波器配置。
權(quán)利要求
一種機(jī)器人專用關(guān)節(jié)特性檢測與參數(shù)調(diào)節(jié)裝置，其特征是具有控制與處理單元(11)、伺服驅(qū)動(dòng)單元(10)和減速機(jī)與負(fù)載單元(9)，所述控制與處理單元(11)跟伺服驅(qū)動(dòng)單元(10)、減速機(jī)與負(fù)載單元(9)通過高速通訊總線(2)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸，伺服驅(qū)動(dòng)單元(10)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)與負(fù)載單元(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人專用關(guān)節(jié)特性檢測與參數(shù)調(diào)節(jié)裝置，其特征是所述 伺服驅(qū)動(dòng)單元(10)包括具有電流實(shí)時(shí)反饋接口的高動(dòng)態(tài)性能的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(3)、電機(jī) 端17位高精度編碼器⑷和高動(dòng)態(tài)性能的伺服電機(jī)(5)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(3)通過線路連 接控制17位高精度編碼器⑷和伺服電機(jī)(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人專用關(guān)節(jié)特性檢測與參數(shù)調(diào)節(jié)裝置，其特征是所述 減速機(jī)與負(fù)載單元(9)包括測試用的減速器(6)、可變慣量負(fù)載(7)和減速器負(fù)載端24位 高精度編碼器(8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人專用關(guān)節(jié)特性檢測與參數(shù)調(diào)節(jié)裝置，具有控制與處理單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元和減速機(jī)與負(fù)載單元，所述控制與處理單元跟伺服驅(qū)動(dòng)單元、減速機(jī)與負(fù)載單元通過高速通訊總線進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸，伺服驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)減速機(jī)與負(fù)載單元。所述伺服驅(qū)動(dòng)單元包括具有電流實(shí)時(shí)反饋接口的高動(dòng)態(tài)性能的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)端17位高精度編碼器和高動(dòng)態(tài)性能的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過線路連接控制17位高精度編碼器和伺服電機(jī)。所述減速機(jī)與負(fù)載單元包括測試用的減速器、可變慣量負(fù)載和減速器負(fù)載端24位高精度編碼器。本發(fā)明可以用于對于工業(yè)機(jī)器人用高精密減速機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測試和辨識(shí)，同時(shí)完成對于伺服電機(jī)的參數(shù)等效配置。
文檔編號(hào)B25J13/00GK101850549SQ20101016041
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者孔民秀, 游瑋 申請人:蘇州博實(shí)機(jī)器人技術(shù)有限公司