機器人專用關節特性檢測與參數調節裝置的製作方法
2024-01-30 03:52:15 1
專利名稱：機器人專用關節特性檢測與參數調節裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機器人裝置，尤其是一種工業機器人用高精密減速機進行動 態性能參數測試和辨識、同時完成對於伺服電機的參數等效配置的機器人專用關節特性檢 測與參數調節裝置。
技術背景用於工業機器人的高精度減速機其動力學特性對與機器人的性能，效率，壽命影 響很大，對於這些特性參數的獲取可用於對機器人精度進行算法補償，有利於在不增加硬 件成本的基礎上大幅度提高機器人的性能指標。並且還可以對減速機的出場參數進行檢 測，便於進行工業機器人整機的品質管理。目前尚無類似裝置能完成相應的測試。同時機器人在進行伺服電機參數調節時往往將電機安裝在機器人的機械本體上， 由於調節伺服電機的PID參數，需要對帶載狀態下的電機進行多次白噪聲掃頻，或是速度 階躍響應測試，這種調試如果參數選擇不合適的話，很有可能會對機械本體產生衝擊和傷 害。因此調節單軸參數時需要一個實驗裝置，通過慣量等效的方法，調節玩參數後再裝到本 體上，如果等效有些誤差，參數即使不是最優的化，也僅需進行少量的微調，從而避免了對 整個機器人本體的衝擊和損傷。
發明內容為對獲得工業機器人專用減速機的精確動態特性和模型，同時對機器人用伺服電 機進行參數優化和調節，本實用新型提供了一種機器人專用關節特性檢測與參數調節裝置。本實用新型通過下列技術方案實現一種機器人專用關節特性檢測與參數調節裝 置，具有控制與處理單元、伺服驅動單元和減速機與負載單元，所述控制與處理單元跟伺服 驅動單元、減速機與負載單元通過高速通訊總線進行指令和數據的傳輸，伺服驅動單元驅 動減速機與負載單元。所述伺服驅動單元包括具有電流實時反饋接口的高動態性能的伺服 電機驅動器、電機端17位高精度編碼器和高動態性能的伺服電機，伺服電機驅動器通過線 路連接控制17位高精度編碼器和伺服電機。所述減速機與負載單元包括測試用的減速器、 可變慣量負載和減速器負載端24位高精度編碼器。具有高速通訊總線接口的和實時系統運動的控制與處理單元，通常為嵌入實時系 統和具有工業乙太網接口的工控機，其完成運動指令生成，並通過高速通訊總線(工業以 太網)將運動指令傳輸到高動態性能伺服驅動器中。具有實時電流反饋的伺服電機驅動器 為整個裝置提供動力源，並且將電流信號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，控制器對數據進行保存和後處理。由於電流信號與電機力矩信號的線性度很高， 所以通過對電流信號的實時採集即可認為對力矩信號進行了實時獲取。伺服驅動器驅動伺 服電機，在電機端裝有17位高精度編碼器，完成電機轉子角度的測量。伺服電機帶動減速 機，減速機連接負載可調的可變慣量負載，通過對於不同慣量負載的測試，在負載端裝有24
3位高精度編碼器，完成減速機輸出端角度的測量。多次採集數據，採用最小二乘法可以獲得 減速機的動態參數，或者完成對於特定伺服參數下，改關節伺服系統性能評估。本實用新型可以用於對於工業機器人用高精密減速機進行動態性能參數測試和 辨識，同時完成對於伺服電機的參數等效配置，該裝置各種具體應用如下1檢測減速機剛度、阻尼、間隙等對特性曲線，通過對這些非線性環節的辨識，獲得 減速器準確的動態模型，為機器人的精度補償，高動態性能伺服控制算法提供模型基礎2對減速機的各出廠指標進行檢測，是對機器人系統集成進行品質管理的基礎。3可以對伺服電機，關節頻譜進行測試，採用等效慣量的思想，等效測出改關節在 進行解耦補償後的頻譜特性曲線，並進行最優的伺服控制參數設置。避免整機測試的危險 性和對機械本體的衝擊和損傷。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖1是本實用新型結構示意圖。圖2是本實用新型的剛度特性曲線。圖中1、具有高速通訊總線接口的和實時系統運動控制器2、高速通訊總線(工業乙太網)3、具有電流實時反饋接口的高動態性能伺服電機驅動器4、電機端17位高精度編碼器5、高動態性能的伺服電機(一般即為與減速機所配套的電機)6、測試用的減速器 7、可變慣量負載8、減速器負載端 24位高精度編碼器 9、減速機與負載單元10、伺服驅動單元 11、控制與處理單元
具體實施方式
如圖1所示一種機器人專用關節特性檢測與參數調節裝置，具有控制與處理單元 11、伺服驅動單元10和減速機與負載單元9，所述控制與處理單元11跟伺服驅動單元10、 減速機與負載單元9通過高速通訊總線2進行指令和數據的傳輸，伺服驅動單元10驅動減 速機與負載單元9。所述伺服驅動單元10包括具有電流實時反饋接口的高動態性能的伺 服電機驅動器3、電機端17位高精度編碼器4和高動態性能的伺服電機5，伺服電機驅動器 3通過線路連接控制17位高精度編碼器4和伺服電機5。所述減速機與負載單元9包括測 試用的減速器6、可變慣量負載7和減速器負載端24位高精度編碼器8。測試方法(參考Ghorbel方法)1減速機剛度特性曲線將減速機輸出端用強度和剛度足夠大的螺栓進行剛性連接在裝置基座上，這樣減 速機的輸出端可以近似認為轉動角度為0，在對電機的進行極低速轉動，確保極低速，一般 為額定轉速的1%，速度過高可能會損壞減速機和電機，同時會增加摩擦和阻尼對測試結果 的影響。通過工控機檢測電機端編碼器反饋的轉角θ，電機電流反饋I，由於伺服電機轉矩 電流成線性關係，所以由下述公式可得電機轉矩值如下
4[0026]T = K。I，隨著電機的轉動，轉矩逐步加大，實時記錄電機端編碼器轉角和電機轉矩 值，並監測轉矩，當其達到減速機額定轉矩的20%時，停止電機轉動。忽略阻尼的影響，將關 節近似由關節扭簧模型如下式，可得關節剛度的近似值，或者可以得到剛度特性曲線，如圖 2 所示，K = T/ θ。2間隙測試在完成剛度測試的同時，減速機間隙也能由測試所得曲線近似求出，如圖2所示。3減速機阻尼特性與摩擦模型測試由第一步已經可以近似得到減速機的剛度值，下一步考慮減速機的摩擦模型。首 先讓減速機在帶額定負載的情況下工作在勻速狀態，轉速分別設為額定轉速的30%，60%， 100%進行多次測量，這樣可以近似認為此時電機力矩主要為關節的摩擦轉矩(正常情況 下電機轉子摩擦轉矩很小，可以忽略不計)。對電流進行實時採集，從而完成摩擦模型就行 參數辨識。一般採用在目前較為符合實際特性的Stribeck模型，其完整的模型描述如下 Tf 0) = F0 sgn(^) + Ρβ + Fs[1 - ^義)]多次測量然後可以對其中的參數F。，Fv, Fs, Vc進行最小二乘擬和。4伺服電機控制參數最優化調節由於在工業機器人高精度伺服系統中，需要進行計算力矩控制，以提高其動態性 能，其基本方法如下計算力矩控制律，消除系統耦合項T = M(q)u + C(q,4)q + G(q)Μ, c, 0都為建模所得的相應矩陣j，^為反饋測得的位置、速度。由於系統
真實動力學方程為τ = M(q)q + C{q, q)q + G(q)則有以下系統方程M(q)q + C(q, q)q + G(q) = M(q)u + C(q, + G(q)若以上各測量量和模型比較準確的話則有，非線性項將會比較小，上述系統方程 可以近似為定慣量線性系統M β = U其中M6等效慣量，可以通過調節負載慣量至M6，然後進行伺服電機參數最優化調 節，具體可以做以下內容(1)階躍速度和位置信號進行電機速度環和位置環的參數調節由於階躍信號衝擊很大，直接在機器人本體上進行容易對機械本體產生損傷，而 在測試臺上就不存在這個問題。通過這步調節可以完成對伺服驅動器PID參數的尋優。(2)掃頻模型對電機的位置環賀速度環進行全頻段的信號掃頻，找出諧振點，從而可以對伺服 驅動器進行合理的濾波器配置。
權利要求一種機器人專用關節特性檢測與參數調節裝置，其特徵是具有控制與處理單元(11)、伺服驅動單元(10)和減速機與負載單元(9)，所述控制與處理單元(11)跟伺服驅動單元(10)、減速機與負載單元(9)通過高速通訊總線(2)進行指令和數據的傳輸，伺服驅動單元(10)驅動減速機與負載單元(9)。
2.根據權利要求1所述的機器人專用關節特性檢測與參數調節裝置，其特徵是所述 伺服驅動單元(10)包括具有電流實時反饋接口的高動態性能的伺服電機驅動器(3)、電機 端17位高精度編碼器⑷和高動態性能的伺服電機(5)，伺服電機驅動器(3)通過線路連 接控制17位高精度編碼器⑷和伺服電機(5)。
3.根據權利要求1所述的機器人專用關節特性檢測與參數調節裝置，其特徵是所述 減速機與負載單元(9)包括測試用的減速器(6)、可變慣量負載(7)和減速器負載端24位 高精度編碼器(8)。
專利摘要本實用新型涉及一種機器人專用關節特性檢測與參數調節裝置，具有控制與處理單元、伺服驅動單元和減速機與負載單元，所述控制與處理單元跟伺服驅動單元、減速機與負載單元通過高速通訊總線進行指令和數據的傳輸，伺服驅動單元驅動減速機與負載單元。所述伺服驅動單元包括具有電流實時反饋接口的高動態性能的伺服電機驅動器、電機端17位高精度編碼器和高動態性能的伺服電機，伺服電機驅動器通過線路連接控制17位高精度編碼器和伺服電機。所述減速機與負載單元包括測試用的減速器、可變慣量負載和減速器負載端24位高精度編碼器。本實用新型可以用於對於工業機器人用高精密減速機進行動態性能參數測試和辨識，同時完成對於伺服電機的參數等效配置。
文檔編號B25J13/00GK201693557SQ20102017580
公開日2011年1月5日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者孔民秀, 遊瑋 申請人:蘇州博實機器人技術有限公司