一种机器人动态特性测定方法及系统、装置与流程

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种机器人动态特性测定方法及系统、装置。

背景技术

随着技术的发展，相较于传统的数控机床，工业机器人因其成本低、效率高、灵活性好和工作区域大等优势，在机械加工制造行业中得到了越来越广泛的应用。但由于机器人刚度较差，在加工过程中受到动态载荷作用时将发生受迫振动甚至出现颤振现象，大幅降低加工质量，缩减机器人寿命甚至损坏机器人结构。因此，对于承受动态载荷的机器人应用，需要一种对机器人动态特性的快速测定指标和方法。

目前已有研究者提出了机器人相关性能指标及其测定方法，例如利用雅可比矩阵的条件数测定机器人灵活性，利用动态可操作性椭球测定机器人的加速度性能，利用机器人末端刚度矩阵的条件数测定机器人刚度。然而，这些技术方法都是基于机器人处于零载荷或静态载荷的作用下进行测量的，当机器人末端执行器处于动态载荷作用时，上述指标和方法均不能用于测定机器人动态性能。测定机器人动态性能的困难在于：当机器人承受动态载荷(如加工、切削)时，所引起的受迫振动的动态特性远比其他承受静态载荷的机器人作业任务(如搬运、拾取)要复杂的多。机器人的动态特性不仅与其位姿相关，还取决于外力方向和频率。

常用的确定机器人动态特性的方法是通过振动试验测量机器人末端的频率响应函数，该函数描述的是指定方向的动态作用力所引起的在指定方向上的机器人末端振动特性。然而，机器人动态特性比较复杂且与受力方向相关，对于不同的机器人应用，其末端作用力方向以及所引起的振动方向往往难以预测。因此，频率响应函数对于测定机器人动态性能的参考价值比较有限。

综上所述，现有技术存在的问题包括：(1)现有技术中，频率响应函数往往针对制定任务，对于测定机器人动态性能的参考价值比较有限，不能有效反映机器人整体动态特性，对机器人末端在不同方向受力作用下可能产生的振动幅值不能进行准确测定。(2)现有机器人性能测定指标及方法仅局限于机器人不受载荷或所受载荷为静态载荷，不适用于动态载荷的情况。(3)现有机器人性能测定技术对机器人作业类型的要求比较局限，适用范围窄。

解决上述技术问题的难度在于：需进行复杂的机器人振动机理研究，所需振动测试耗时长、数据量大，而且在外力方向不确定情况下难以进行振动测试，这些使得机器人用户在项目可行性分析阶段难以快速地判断机器人动态性能是否能够满足项目的工艺要求。

评估一个机器人是否满足于某机器人作业操作的质量要求，更具体的是否满足对机器人末端受迫振动的要求，无论对于机器人生产商还是机器人用户都具有实际意义。因此，综合以上问题和需求，亟需建立一套能够快速简单地测定机器人动态特性的有效方法及系统、装置。解决上述技术问题，将有利于指导机器人用户进行机器人选型和加工参数优化，用以提高加工质量和延长机器人寿命，其次，也可为机器人生产商提供机器人动态性能的评价标准和方法，为机器人原型设计提供重要的数据参考。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种机器人动态特性测定方法及系统、装置。本发明是基于激振实验结果提出一个新的机器人性能评价指标，然后进行了现有机器人指标不能实现的动态性能测量和评价。

本发明是这样实现的，一种机器人动态特性测定方法，所述机器人动态特性测定方法包括：

步骤一，在机器人工作空间内划定待测区域，在所述区域内布置测定点，并进行编号；

步骤二，将机器人移动至各测定点进行激振，收集激励和响应信号数据；

步骤三，通过激励和响应信号数据，得到机器人末端的频率响应函数；

步骤四，从机器人末端频率响应函数中提取动态特性测定指标，绘制指标曲线图。

进一步，步骤一，具体包括：

测定点根据测定区域的空间特征均匀分布；编号从1到n，其中n大于10。

进一步，步骤二，具体包括：

在机器人末端上设置振动激励点，并设置三个互相垂直的x、y、z方向；

在机器人末端上设置响应测量点，并设置三个互相垂直的x、y、z方向，在每个方向上安装振动响应传感器；

优选地，振动激励点的三个相互垂直x、y、z方向和响应测量点的三个相互垂直x、y、z方向均选择全局坐标系坐标轴方向；

从x方向激励机器人末端，采集激励信号和对应的x、y、z三个方向的响应信号数据；类似地，分别从y、z方向激励机器人末端，并采集激励信号和对应的x、y、z方向的响应信号数据；

类似地，将机器人移动至其他测定点，对每个测定点收集相应的激励和响应信号，并记录相关测定点位置信息和机器人关节角度信息。

进一步，步骤三具体包括：对各组的激励和响应信号数据进行信号处理，求得各个方向的频率响应函数，并构造成如下的机器人末端频率响应函数矩阵h(ω)：

公式(1)中的每个分量是指从某方向上激励到某方向上响应的频率响应函数，如hyx(ω)表示从x方向激励到y方向响应的频率响应函数，每个分量随频率变化。如果需要测定的频率包括m个频率值(ω1,ω2,…,ωm)，则所述h(ω)包括m个3×3的复数矩阵。

进一步，步骤四具体包括：由所述频率响应函数得到：

r＝hf(2)

其中r表示机器人末端的振动响应，f表示机器人末端的外力激励，h表示公式(1)中的频率响应函数h(ω)；公式(2)经过进一步变换得到：

r^hr＝f^hh^hhf(3)

上式中上标h表示矩阵的共轭转置；公式(3)进一步转化为：

公式(4)左侧分子表示机器人末端振动幅值|r|的平方，分母表示外力幅值|r|的平方，右侧中矩阵m等价于：

m＝h^hh(5)

并且以下公式成立：

公式(6)中λmin和λmax分别是矩阵m的最小和最大特征值。由公式(6)可得到机器人末端振动幅值与所受外力幅值的比值|r|/|f|的范围如下：

所述比值|r|/|f|描述了动态外力幅值为单位力时的机器人末端振动幅值大小，其最小值和最大值写成：

公式(8)中vmin和vmax分别是矩阵m关于λmin和λmax的特征向量。当机器人末端所受外力f等于vmin时，比值|r|/|f|取得最小值；当机器人末端所受外力f等于vmax时，比值|r|/|f|取得最大值，即此时机器人末端在相同幅值的动态力作用下所产生的振动幅度最大；采用如下指标k评价机器人在所述测量位姿下的动态性能：

所述指标k是对机器人末端振动幅值与所受外力幅值的比值大小的保守性估计，物理意义表示机器人处于该测定点位姿时，末端振动幅值与所受外力幅值的比值在指定频率下所能达到的最大值；

通过每个测定点的激励和响应信号数据求取频率响应函数，分别提取指标k1，k2，k3……kn，并取平均值k：

所述平均值k表示机器人在测定区域内的末端振动幅值与所受外力幅值比值|r|/|f|的最大值的整体评价，平均值k作为机器人在测定区域的整体动态特性测定指标。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述机器人动态特性测定方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述机器人动态特性测定方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的机器人动态特性测定方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述机器人动态特性测定方法的机器人动态特性测定控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述机器人动态特性测定方法的机器人动态特性测定装置，所述机器人动态特性测定装置设置有：

机器人；

在机器人末端上安装有振动响应传感器；

在机器人末端上进行激振的激振设备；

振动响应传感器、激振设备通过数据线连接数据采集系统；

数据采集系统通过数据线连接计算机；

计算机计算和输出动态特性测定指标。

本发明的优点及积极效果如下：

本发明提供一种机器人动态特性测定方法。机器人的变形与其受力大小成正比，因此，本发明基于频率响应函数，提出一种机器人末端振动幅值与所受外力幅值的比值范围的计算方法，对机器人在单位动态力下所产生的最大末端振动幅度进行定量评价，能够测定机器人末端在不同方向受力作用下可能产生的振动幅值范围。所述机器人动态特性测定方法实施步骤简单，容易操作，能够快速对机器人的动态特性进行测定；所述机器人动态特性测定方法适用范围广，可适用于承受动态载荷的机器人；所述机器人动态特性测定指标与机器人的外界环境、负载类型、作业类型等均无关，是一种只与机器人姿态和外力频率有关系的固有属性参数；所述机器人动态特性测定指标可以通过激振实验快速获得，实验设备要求低；所述机器人动态特性测定指标能够快速准确地评估机器人动态性能，能够为机器人设计、选型、姿态优化、工艺参数优化等提供重要数据参考。

附图说明

图1是本发明实施例提供的机器人动态特性测定方法流程图。

图2是本发明实施例提供的机器人动态特性测定装置图。

图中：210、机器人；220、平面矩形测定区域；230、三轴加速度传感器；240、激振设备；250、数据采集系统；260、计算机；270、全局坐标系。

图3是根据本发明实施方法提取出的测定指标曲线图。

图中：300、测定指标曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，频率响应函数对于评估机器人动态性能的参考价值比较有限，不能有效测定机器人动态特性，不能测定机器人末端在不同方向受力作用下可能产生的振动幅值。

本发明中，实施步骤简单，容易操作，能够快速对机器人的动态特性进行测定；所述动态特性测定指标与机器人外界环境、负载类型、作业类型无关，是一种只与机器人姿态和外力频率相关的固有属性参数；所述测定指标可通过激振实验快速获得，实验设备要求低；所述测定指标能快速准确地评价机器人动态性能，能为机器人选型、轨迹优化、工艺参数优化等提供参考。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明实施例提供的机器人动态特性测定方法，包括：

s101:在机器人工作空间内划定一块待测定区域，在该区域内布置测定点，并进行编号；

s102:将机器人移动至各测定点进行激振实验，收集激励和响应信号数据；

s103:通过激励和响应信号数据，得到机器人末端的频率响应函数；

s104:从机器人末端频率响应函数中提取动态特性测定指标，绘制指标曲线图。

机器人动态特性测定方法的各个步骤具体描述如下：

步骤s101：在机器人工作空间内划定一块待测定区域，在该区域内布置测定点，并进行编号。

所述动态特性测定区域因机器人及其应用对象的不同而有差异，需要根据机器人的常用工作区域或者针对某项作业的特点选定测定区域。所述动态特性测定区域必须保证在机器人工作空间内，可选择工作空间的一部分，也可选择整个工作空间。优选地，所述测点需根据测定区域的空间特征均匀分布。所述测定点数量不宜过少，例如编号从1到n，其中n建议大于10。所述测定点间隔距离不宜过大。

步骤s102：将机器人移动到各测定点进行激振实验，收集激励和响应信号数据。

布置安装激振实验测量系统包括激振设备和振动响应传感器，配置测量参数，进行数据采集系统的连线和设置。所述激振设备的可选类型包括激振力锤和激振器。所述振动响应传感器的可选类型包括位移传感器、速度传感器、加速度传感器；所述振动响应传感器可选测量轴数包括单轴传感器和三轴传感器；优选地，所述振动响应传感器采用三轴加速度传感器。所述数据采集系统提供振动信号的数据采集和数据处理功能。在机器人末端上设置振动激励点，并规定三个互相垂直的方向，即x、y、z方向。在机器人末端上设置响应测量点，并规定三个互相垂直的方向，即x、y、z方向，在每个方向上安装振动响应传感器。优选地，振动激励点的三个相互垂直方向(x、y、z方向)和响应测量点的三个相互垂直方向(x、y、z方向)均选择为全局坐标系坐标轴方向。

将机器人移动到编号1的测定点，若机器人有多个姿态可供选择，选择常用姿态。从x方向激励机器人末端，采集激励信号和对应的x、y、z三个方向的响应信号数据。类似地，分别从y、z方向激励机器人末端，并采集激励信号和对应的x、y、z方向的响应信号数据。类似地，将机器人移动至其他测定点(编号2到编号n)，对每个测定点收集相应的激励和响应信号，并记录相关测定点位置信息和机器人关节角度信息。

步骤s103：通过激励和响应信号数据得到机器人末端的频率响应函数。

对各组的激励和响应信号数据进行信号处理，求得各个方向的频率响应函数，并构造成如下的机器人末端频率响应函数矩阵h(ω)：

公式(1)中的每个分量是指从某方向上激励到某方向上响应的频率响应函数，如hyx(ω)表示从x方向激励到y方向响应的频率响应函数，每个分量随频率变化。如果需要测定的频率包括m个频率值(ω1,ω2,…,ωm)，则所述h(ω)包括m个3×3的复数矩阵。

步骤s104：通过机器人末端频率响应函数提取测定指标，绘制指标曲线图。

首先，由所述频率响应函数得到：

r＝hf(2)

其中r表示机器人末端的振动响应，f表示机器人末端的外力激励，h表示公式(1)中的频率响应函数h(ω)。公式(2)经过进一步变换得到：

r^hr＝f^hh^hhf(3)

上式中上标h表示矩阵的共轭转置。公式(3)可进一步转化为：

公式(4)左侧分子表示机器人末端振动幅值|r|的平方，分母表示外力幅值|r|的平方，右侧中矩阵m等价于：

m＝h^hh(5)

并且以下公式成立：

公式(6)中λmin和λmax分别是矩阵m的最小和最大特征值。由公式(6)可得到机器人末端振动幅值与所受外力幅值的比值|r|/|f|的范围如下：

所述比值|r|/|f|描述了动态外力幅值为单位力时的机器人末端振动幅值大小，其最小值和最大值可写成：

公式(8)中vmin和vmax分别是矩阵m关于λmin和λmax的特征向量。当机器人末端所受外力f等于vmin时，比值|r|/|f|取得最小值；当机器人末端所受外力f等于vmax时，比值|r|/|f|取得最大值，即此时机器人末端在相同幅值的动态力作用下所产生的振动幅度最大。采用如下指标k评价机器人在该测量位姿下的动态性能：

所述指标k是对机器人末端振动幅值与所受外力幅值的比值大小的保守性估计，其物理意义表示机器人处于该测定点位姿时，末端振动幅值与所受外力幅值的比值在指定频率下所能达到的最大值。

通过每个测定点的激励和响应信号数据求取频率响应函数，分别提取指标k1，k2，k3……kn，并取其平均值k：

所述平均值k表示机器人在测定区域内的末端振动幅值与所受外力幅值比值|r|/|f|的最大值的整体评价，所述平均值k可作为机器人在检测区域的整体动态特性检测指标。

所述测定指标随机器人末端所受外力频率变化而变化。在计算出一系列频率对应的测定指标值后，将测定指标绘制成随频率变化的曲线。所述曲线可用于观察测定指标随频率变化的特性，可用于分辨出机器人振动的敏感频率，为机器人应用的工艺参数选择提供参考。

所述测定指标k可作为机器人动态特性参数指标，是机器人一项固有属性参数，其大小只与机器人姿态和动态负载频率相关，与机器人外界环境、负载大小、作业类型无关；所述提取测定指标的方法可用于标准化的机器人动态特性测定方法。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1为本发明实施方式的机器人动态特性测定方法的流程示意图，该机器人动态特性测定方法包括：

步骤1、在机器人工作空间内划定一块待测区域，在该区域内布置测定点，并进行编号。

参照图2本发明实施例提供的机器人动态特性测定装置实施案例示意图，在机器人210工作空间内选取一块平面矩形区域220作为测定区域，该测定区域是机器人作业的某平面。在矩形测定区域内以5×5的方式均匀分布25个测定点，对测定点进行编号，并记录测定点位置信息。

步骤2、将机器人移动到各测定点进行激振实验，收集激励和响应信号数据。具体如下：

参照图2中的实施案例示意图，布置安装激振实验测量系统，配置测量参数，本实施案例采用三轴加速度传感器230作为振动响应传感器，采用力锤240作为激振设备。完成振动响应传感器230、激振设备240和数据采集系统250以及计算机260的连线和设置。

在准备工作完成后，将机器人移动到编号为1的测定点，若机器人有多个姿态可供选择，选择常用姿态。将全局坐标系270的x轴、y轴、z轴方向作为振动激励方向和响应测量的方向，并在机器人末端上作好方向标记。从x方向激励机器人末端，采集激励信号和相应的x、y、z方向的响应信号数据。类似地，分别从y、z方向激励机器人末端，并采集激励信号和相应的x、y、z方向的响应信号数据。

类似地，将机器人移动到其他测定点，对每个测定点收集激励和响应信号，并记录相关测定点位置信息和机器人关节角度信息。

步骤3、通过激励和响应信号数据得到机器人末端的频率响应函数。具体方法如下：

对各组的激励和响应信号数据进行信号处理，求得各个方向的频率响应函数，并构造成如公式(1)所述的机器人末端频率响应函数矩阵h(ω)。该复数矩阵随频率变化而变化，如果测量的频率值为(ω1,ω2,…,ωm)，则所述h(ω)包括m个3×3的复数矩阵。

如在本实施案例中某点当频率为25hz时：

如在本实施案例中某点当频率为50hz时：

步骤4、通过机器人末端频率响应函数提取测定指标，绘制指标曲线图。具体方法如下：

由所述频率响应函数h(ω)构造以下矩阵：

m＝h^hh

得到矩阵m的最大特征值λmax，并采用如下指标k测定机器人在该测量位姿下的动态性能：

所述指标表示机器人处于该点位姿时，末端振动幅值与所受外力幅值的比值在指定频率下所能达到的最大值。例如，对于上述某点得到的频率响应函数，频率为30hz时，计算得到的指标k为0.0111g/n；频率为50hz时，计算得到的指标k为0.0147g/n。

通过每个点的激励和响应信号数据求取频率响应函数，分别提取指标k1，k2，k3……k25，并求得平均值作为测定区域的整体动态性能指标，即：

参考图3中的测定指标曲线图，求出机器人各频率对应的测定指标，并绘制成指标曲线图300。

在上述实施例中，可全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk)等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。