某六轴机器人末端抖动分析

谭晶晶，吴先欢，施威涛，张翔

                                                                                                             1.浙江谱麦科技有限公司（宁波），宁波315000；

                                                                                       2.杭州亿恒科技有限公司，杭州310000；3.杭州电子科技大学，杭州310000

摘要：为了分析优化某新型六轴机器人在运动过程中产生的抖动问题，降低机器人运动中末端的抖动特性，提高机器人的工作精度，利用实验测试的方法和激励-本体-末端的振动传递模型，提出了六轴机器人在工作状态下沿某一路径运动时末端抖动分析的测试新方案。该方法将工作中振动实验测试、单轴工作振动实验测试和机器人本体固有频率测试相结合，针对设定的工作轨迹分析其工作中末端产生的抖动原因。

关键词：机器人；末端抖动；固有频率

Dither Analysis of The Six-axis Robot Terminal at The Path

Tan Jingjing¹,Wu Xianhuan¹,Shi Weitao²,Zhang Xiang^1,3

1.Premax Technologies (Zhejiang) Co., Ltd, Ningbo 315000;2.Econ Technologies Co., Ltd, Hangzhou 310000;3.Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310000

Abstract:In order to analyze and optimize the dither problem caused by a new type of the six-axis robot in motion,reduce the dither characteristics of the robot terminal in motion and improve the accuracy of the robot’s work,writer using experimental testing methods and excitation-body-receiver vibration propagation models,proposed a new test scheme for the dither analysis of the six-axis robot moving along a path under working conditions.The method combines the vibration test under working conditions, the vibration test under single-axis working and the natural frequency test of the six-axis robot body.

Keywords:robots;terminal dither;natural frequency

随着工业自动化的发展，工业机器人得到了越来越广泛的应用，其中以垂直关节六自由度工业机器人为典型。为了使工业机器人更好的应用于市场，除了具有良好的可靠性、一定的工作空间外，其整体结构还必须有良好的动态性能，这将直接影响机器人的工作效率、稳定性和可靠性。然而，对于工业机器人的动态性能的研究，国内乃至国际上还没有一套完善的针对这类问题的解决方案，严重的滞后了工业机器人的发展，到时流入市场的机器人质量良莠不齐，厂家之间也减少了一项可以互相竞争的优势。工业机器人抖动测试分析，提供了工业机器人工作状态下抖动特性的测试方案，提高市场工业机器人出厂质量，为用户提供优质性能的工业机器人。

1机器人振动的基本理论

1.1机器人的结构原理

   工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成，其机械结构由六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节的旋转。对于工业机器人需要实现大速比的减速运动，其减速装置一般选用谐波减速器和RV减速器，少数情况下腕部传动也可选用蜗轮蜗杆减速器¹。考虑小臂尺寸结构的限制和减少电机负荷的要求，后三轴一般选用谐波减速器²。

1.2振动系统基本理论

振动系统通常包含3部分：激励源，振动传递的路径，接收体。振动的传递是指激励源，由不同路径通过结构传递到接受体的过程。振动传递过程如图1所示:

图1 振动传递过程

其中.振动传递系统的特性如图2所示，图2为4个自由度的振动传递系统模型^[3-4]：

图2 振动传递系统

根据牛顿定律，振动系统的微分方程式

其中，，

，

。

根据振动传递的“激励源-振动传递系统-接受体”的传递模型,对机器人末端的抖动分析主要考虑激励源、振动传递的结构特性的影响。

2实验测试

    本次实验测试设备采用杭州亿恒科技有限公司研发的型号为ARTS 7008的工业机器人抖动测量仪，加若干三向和单向加速度传感器，外加激励力锤一把。测试流程分为三步：第一步，设定机器人运动轨迹，采用三向加速度传感器测试运动中末端的抖动数据；第二步，测试机器人在设定的结构状态下，测试本体的固有频率^[5-6]；第三部，在机器人沿着设定的运动轨迹运动时，检测各轴电机转速，测试各关节电机在设定转速单轴运动时的抖动数据。

2.1机器人工作中的抖动测试

将三向加速度传感器安装在机器人末端，测试机器人工作中末端的抖动数据，测试结果如图3：

a 机器人工作中末端抖动时域数据

剧烈抖动段时域数据

b剧烈抖动段频率域数据

图3 机器人工作中末端抖动数据

测试结果显示，机器人末端在沿着设定轨迹运动过程中，在即将停止时出现剧烈抖动，主要表现在末端Z向和X向的抖动，抖动表现为+/-0.2G范围波动，抖动偏离中心的位移量为+/-1mm范围，抖动主要振动频率在13.13Hz，为了降低机器人工作中的抖动幅度，分析运动中影响抖动的主要因素。

2.2机器人本体固有频率测试

机器人以工作状态时的位置静止，利用力锤敲击测试获取其频响函数，测试结果如图4所示：

                  X向                                      Y向

                 Z向

图4 机器人本体固有频率

    测试结果显示：被测机器人在设定位置的一阶频率为18Hz，二阶频率为34.18Hz，而机器人在设定路径工作时的抖动的主要频率为13.13Hz，低于机器人本体的固有频率。

2.3机器人一二三轴单关节转动振动测试

机器人运动过程中，监测到一二三轴单关节运动的电机转速，分别为100RPM、400RPM、600RPM。根据机器人关节安装特点，一轴主要影响Y向的抖动，暂时排除一轴激励对机器人末端X向和Z向的影响。

二三轴分别以400RPM、600RPM转速单关节运动时，测试结果如图5、图6。

a机器人一轴单轴运动时域数据

b频域数据

图5 二轴单关节以400RPM转速运动

a时域数据

b频域数据

图6 三轴单关节以600RPM转速运动

通过测试二轴和三轴单轴运动抖动数据显示：二轴电机以400RPM单轴运动时，抖动表现为+/-0.2G范围波动，偏离中心位置的位移量为+/-1.2mm，主要频率为13.75Hz；三轴电机以600RPM单轴运动时，抖动表现为+/-0.1G范围波动，偏离中心位置的位移量为+/-0.75mm，主要频率为20Hz。测试结果显示，二轴单轴以400RPM运动时的主要振动频率与工作状态下运动时的末端抖动频率接近，推测机器人工作中的末端抖动的主要影响因素是由于二轴运动过程的振动引起的。

3结果验证

为了验证推测合理，将二轴国内减速机更换为同款的日本生产的减速机，机器人重复被测路径运动，对比原状态测试数据，测试结果如图7。

原状态

更换二轴减速机后

图7 更换二轴减速机前后末端抖动测试结果

对比测试结果，更换二轴减速机后机器人末端的抖动表现为，抖动偏移中心位置的幅度由+/-1mm降低到+/-0.25mm，抖动主频从12.5Hz平移到15Hz，验证了分析结果合理。

4结论

针对某新型机器人工作中末端的抖动分析，基于“激励源-振动传递系统-接受体”的振动传递模型提出机器人末端抖动分析实验方案，推测出了机器人工作中末端抖动的主要影响因素，并验证结果合理，提高工业机器人工作性能。

5参考文献

[1] 周科.六轴工业机器人设计与轨迹规划方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学工学硕士学位论文，2013.

[2] 王洪星.工业机器人用谐波齿轮减速器的展望[J].机器人情报,1993（6）.

[3] 张义民,仝允.振动传递路径系统的参数和全局灵敏度分析[J] .振动、测试与诊断,2017,37(6).

[4] 张义民.机械振动[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5] 周鉴如,赵锡芳.上海Ⅰ号机器人振动分析[J].噪声与振动控制,1995,(1).

[6] 陶学恒,尤竹平.谐波齿轮传动系统动态特性的测量与分析[J].大连理工大学学报,1992,32（5）.