一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法技术

本发明专利技术公开了一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法，该方法包括：计算SCARA型机器人末端按照预设轨迹移动所需要的驱动力矩；建立机器人的非线性动力学模型；处理动力学行为得到偏差序列；用ARIMA模型拟合位置偏差时间序列，得到位置偏差的线性近似时间序列；计算位置偏差序列及其线性近似序列作差后的差异时间序列的检测阈值，以脉冲因子为检测指标，在线检测机器人含间隙铰链的碰撞状态。通过使用本发明专利技术，能够间接检测含间隙铰链碰撞状态防止机器人轴和轴承频繁碰撞加剧铰链磨损，引起铰链副失效。本发明专利技术作为一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法，可广泛应用于机器人系统状态监测技术领域。人系统状态监测技术领域。人系统状态监测技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法


[0001]本专利技术涉及机器人系统状态监测
，尤其涉及一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法。

技术介绍

[0002]机器人具有适应性强、精度高、工作效率高等优点，广泛应用在微电子制造工业、汽车工业等领域中，由于构件间运动副元素动配合的需求以及加工制造过程产生的误差，铰链间的间隙是无法避免的，过大的铰链间隙会导致铰链元素频繁分离碰撞，在这一过程中将会发出噪声以及引起机器人剧烈振动，影响机器人的精度，而且铰链元素在反复的碰撞下会产生复杂的微观力学现象，加剧铰链磨损，有必要对含间隙铰链进行状态监测，防止轴和轴承频繁碰撞加剧铰链磨损，引起铰链副失效，但在实际中，铰链处的间隙值较小而且铰链处经常存在油污和碎屑，在机器人运转时难以直接对轴和轴承碰撞状态进行检测，因此需要一种间接检测含间隙铰链碰撞状态的方法。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法，能够间接检测含间隙铰链碰撞状态防止机器人轴和轴承频繁碰撞加剧铰链磨损以及引起铰链副失效。
[0004]本专利技术所采用的第一技术方案是：一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法，包括以下步骤：
[0005]不考虑含间隙铰链，获取机器人根据预设轨迹运动过程中的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩，所述机器人为SCARA型机器人；
[0006]考虑机器人第一杆与第二杆连接处的铰链间隙，基于机器人的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩，构建机器人的非线性动力学模型；
[0007]根据机器人的非线性动力学模型进行数值仿真实验，获取机器人的实际末端位置；
[0008]根据机器人实际末端位置与预设末端位置进行计算，得到机器人的位置偏差时间序列；
[0009]通过差分整合移动平均自回归模型对机器人的位置偏差时间序列进行拟合，得到机器人的位置偏差线性近似时间序列；
[0010]对机器人的位置偏差时间序列与机器人的位置偏差线性近似时间序列进行作差计算，并根据作差计算结果对机器人含间隙铰链的碰撞状态进行检测。
[0011]进一步，所述不考虑含间隙铰链，获取机器人根据预设轨迹运动过程中的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩这一步骤，其具体包括：
[0012]不考虑含间隙铰链，获取机器人根据预设轨迹运动后机器人末端位置相对于坐标系原点的位移与时间，构建机器人末端位置和构件的角度关系式；
[0013]对机器人末端位置和构件的角度关系式进行求导求解，得到机器人的构件角速度与构件角加速度；
[0014]根据机器人的构件角速度与构件角加速度构建机器人的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩计算公式并求解，得到机器人的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩。
[0015]进一步，所述机器人的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩计算公式具体如下所示：
[0016][0017]上式中，M1表示机器人的第一杆驱动力矩，M2表示机器人的第二杆驱动力矩，J0表示第一杆对坐标系原点的转动惯量，J
s2
表示第二杆对第二驱动杆质点的转动惯量，m
s2
表示机构的质量，L1表示机器人的第一驱动杆的长度，L
s2
表示机器人的第二驱动杆的长度与第二驱动杆质点到机器人末端长度的差值，θ1、θ2表示机器人的第一驱动杆和第二驱动杆的角度，度，表示机器人的第一驱动杆和第二驱动杆的角速度，表示机器人的第一驱动杆和第二驱动杆的角加速度。
[0018]进一步，所述机器人的非线性动力学模型的表达式具体如下所示：
[0019][0020]上式中，和分别为第二驱动杆质点的加速度在x方向和y方向上的分量，R
j
表示轴半径，e、分别表示含间隙铰链中轴中心和轴承中心的偏心距和方位角，F
x
和F
y
分别表示含间隙铰链间的法向接触力的x方向和y方向上的分力。
[0021]进一步，所述机器人的位置偏差时间序列计算公式具体如下所示：
[0022][0023]上式中，x
t
、y
t
分别表示机器人末端在水平和垂直方向相对于坐标系原点的实际位移；移；分别表示机器人末端在水平和垂直方向相对于坐标系原点的预设位移，t表示机器人的运动时间，{R
t
}表示机器人的位置偏差时间序列。
[0024]进一步，所述差分整合移动平均自回归模型包括自回归模型(AR)、移动平均模型(MA)和差分运算，所述通过差分整合移动平均自回归模型对机器人的位置偏差时间序列进行拟合，得到机器人的位置偏差线性近似时间序列这一步骤，其具体包括：
[0025]通过ADF检验对机器人的位置偏差时间序列进行平稳性检验，判断检验序列中是否存在单位根，判断到存在则为非平稳序列，判断到不存在则为平稳序列；
[0026]若所述位置偏差时间序列为非平稳序列，对机器人的位置偏差时间序列进行差分运算，得到差分运算后的机器人的位置偏差时间序列；
[0027]将差分运算后的机器人的位置偏差时间序列再次进行ADF检验，若为非平稳序列则再进行差分运算，直至序列为平稳序列，确定对机器人的位置偏差时间序列进行差分运算的次数为差分的阶数d；
[0028]对d次差分运算后的机器人的位置偏差时间序列以不同自回归滑动平均模型参数进行拟合，得到不同参数的拟合结果；
[0029]分别通过AIC和BIC准则对不同自回归滑动平均模型参数的拟合结果进行评估，选取评估结果中表现最优异的自回归滑动平均模型参数的拟合结果和差分阶数d作为差分整合移动平均自回归模型的阶数，输出最优差分整合移动平均自回归模型；
[0030]将机器人的位置偏差时间序列输入至最优差分整合移动平均自回归模型进行拟合，得到机器人的位置偏差线性近似时间序列。
[0031]进一步，所述对机器人的位置偏差时间序列与机器人的位置偏差线性近似时间序列进行作差计算，并根据作差计算结果对机器人含间隙铰链的碰撞状态进行检测这一步骤，其具体包括：
[0032]基于机器人的非线性动力学模型进行数值仿真实验得到的时间动态响应，计算该时间段的差异序列的3σ范围与整流平均值的比值，设置检测阈值；
[0033]对机器人的位置偏差时间序列与机器人的位置偏差线性近似时间序列进行作差计算，根据计算结果确定脉冲因子，所述脉冲因子为振动信号的峰峰值与整流平均值的比值；
[0034]对脉冲因子与检测阈值进行判断；
[0035]判断到脉冲因子大于检测阈值，机器人含间隙铰链在该时间段内存在碰撞；
[0036]判断到脉冲因子小于检测阈值，机器人含间隙铰链在该时间段内未发生碰撞。
[0037]进一步，所述检测阈值与脉冲因子的计算公式具体如下所示：
[0038]检测阈值的计算公式为；
[0039]D
t
＝3σ/a
v
[0040]上式中，D...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：不考虑含间隙铰链，获取机器人根据预设轨迹运动过程中的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩，所述机器人为SCARA型机器人；考虑机器人第一杆与第二杆连接处的铰链间隙，基于机器人的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩，构建机器人的非线性动力学模型；根据机器人的非线性动力学模型进行数值仿真实验，获取机器人的实际末端位置；根据机器人实际末端位置与预设末端位置进行计算，得到机器人的位置偏差时间序列；通过差分整合移动平均自回归模型对机器人的位置偏差时间序列进行拟合，得到机器人的位置偏差线性近似时间序列；对机器人的位置偏差时间序列与机器人的位置偏差线性近似时间序列进行作差计算，并根据作差计算结果对机器人含间隙铰链的碰撞状态进行检测。2.根据权利要求1所述一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法，其特征在于，所述不考虑含间隙铰链，获取机器人根据预设轨迹运动过程中的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩这一步骤，其具体包括：不考虑含间隙铰链，获取机器人根据预设轨迹运动后机器人末端位置相对于坐标系原点的位移与时间，构建机器人末端位置和构件的角度关系式；对机器人末端位置和构件的角度关系式进行求导求解，得到机器人的构件角速度与构件角加速度；根据机器人的构件角速度与构件角加速度构建机器人的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩计算公式并求解，得到机器人的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩。3.根据权利要求2所述一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法，其特征在于，所述机器人的第一杆驱动力矩和第二杆驱动力矩计算公式具体如下所示：上式中，M1表示机器人的第一杆驱动力矩，M2表示机器人的第二杆驱动力矩，J0表示第一杆对坐标系原点的转动惯量，J
s2
表示第二杆对第二驱动杆质点的转动惯量，m
s2
表示机构的质量，L1表示机器人的第一驱动杆的长度，L
s2
表示机器人的第二驱动杆的长度与第二驱动杆质点到机器人末端长度的差值，θ1、θ2表示机器人的第一驱动杆和第二驱动杆的角度，表示机器人的第一驱动杆和第二驱动杆的角速度，表示机器人的第一驱动杆和第二驱动杆的角加速度。4.根据权利要求3所述一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法，其特征在于，所述机器人的非线性动力学模型的表达式具体如下所示：上式中，和分别为第二驱动杆质点的加速度在x方向和y方向上的分量，R
j
表示轴
半径，e、分别表示含间隙铰链中轴中心和轴承中心的偏心距和方位角，F
x
和F
y
分别表示含间隙铰链间的法向接触力的x方向和y方向上的分力。5.根据权利要求4所述一种工业机器人含间隙铰链碰撞状态检测方法，其特征在于，所述机器人的位置偏差时间序列计算公式具体如下所示：上式中，x
t
、y
t
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋勉，杨铭健，谢凌波，何宽芳，陈勇，柴牧，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：