CN109682584A - 机器人刚度性能测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人领域，公开了一种机器人刚度性能测试方法和装置，方法包括：控制机器人执行特定的测试动作，借助采样设备采集机器人执行点的点组A，将点组A的坐标点和采集时间结合获得机器人执行点位置和时间的波动曲线；根据所述机器人执行点位置和时间的波动曲线，进行机器人刚度性能分析。本发明能基于激光跟踪仪实现机器人轨迹抖动幅度、轨迹抖动频率、固有频率等刚度性能的测试。

Description

机器人刚度性能测试方法和装置

技术领域

本发明实施方式涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种机器人刚度性能测试方法和装置。

背景技术

随着人工劳动成本的不断上升，越来越多的企业开始对现有生产方式进行自动化改造。工业机器人因其兼具灵活性、重复性、高精度等特点已逐渐广泛应用于焊接、折弯、打磨、装配、搬运等领域。为了保证机器人能够更快速、更高效的完成特定的作业任务，除了机器人要有很高的速度特性外，机器人轨迹执行精度高，轨迹误差和抖动小也是机器人的几项重要性能特征。

为了使机器人的轨迹精度和刚度特性参数更有可对比性，在GBT 12642-2001工业机器人性能规范及其试验方法(eqvISO92831998)中，给出了部分相关的说明规范，其中规定了机器人运行时的轨迹准确度、轨迹重复性、重定向轨迹准确度、静态柔顺性等。这些参数按照国标文件规范，均可以通过Dynalog机器人性能测试设备测试获取。

但是，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

在实际应用中，除了测试国标中规定的机器人轨迹偏差指标之外，为了识别偏差的来源，进一步改善机器人刚度性能，通常需要研究机器人的固有频率、轨迹抖动幅度、轨迹抖动频率等特性，而这些参数的采集分析目前在Dynalog机器人性能测试设备和激光跟踪仪中并不具备。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种机器人刚度性能测试方法和装置，能够实现机器人轨迹抖动幅度、轨迹抖动频率、固有频率等刚度性能的测试。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种机器人刚度性能测试方法，包括：控制机器人执行特定的测试动作，借助采样设备采集机器人执行点的点组A，将点组A的坐标点和采集时间结合获得机器人执行点位置和时间的波动曲线；根据所述机器人执行点位置和时间的波动曲线，进行机器人刚度性能分析。

另外，采样设备为激光跟踪仪或者位置点信息跟踪采样设备，从而能够基于激光跟踪仪或者位置点信息跟踪采样设备，在不借助机器人自带控制器读取电机编码器数据的基础上，从执行端完成机器人速度性能的测试。

另外，控制机器人按照预设的测试程序运行，根据预设采样频率采集机器人执行点的点组A，以对运行中的轨迹抖动幅度和轨迹抖动频率进行测试；还可以沿测试方向敲击机器人执行端，根据预设采样频率采集机器人在测试方向上的点组A，以进行静态的固有频率抖动测试。

另外，通过将机器人执行点位置和时间的波动曲线在三维建模空间中显示，进行XOY、XOZ、YOZ三个平面沿X、Y、Z任意方向的轨迹抖动幅度分析，确定抖动最大的平面和方向；根据采样时间间隔，通过离散点的FFT变换，对抖动最大方向上的抖动幅值和时间形成的波动曲线进行时频域的转化，得到抖动频率的时频域波动曲线，以进行机器人刚度性能(例如轨迹抖动幅度和轨迹抖动频率，或者固有频率抖动)的频域分析。

本发明的实施方式还提供了一种机器人刚度性能测试装置，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上所述的基于激光跟踪仪的机器人速度测试方法。

本发明实施方式相对于现有技术而言，能够基于采样设备，例如激光跟踪仪实现机器人轨迹抖动幅度、轨迹抖动频率、固有频率等刚度性能的测试，对于一般机器人厂家而言，激光跟踪仪等标定设备几乎是必备的，借助激光跟踪仪这个设备可以通过二次开发，同步兼顾多种测试能力，从而实现一机多用，也可以实现便于操作，节约成本的目的。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明第一实施方式提供的机器人刚度性能测试方法的流程示意图；

图2是本发明第二实施方式提供的机器人刚度性能测试方法的流程示意图；

图3是本发明激光跟踪仪和机器人安装固定的示意图；

图4是本发明机器人在不同速度下沿X方向运动时XOZ平面内的抖动波形曲线示意图；

图5是本发明机器人在不同速度下Z方向幅值和时间的波形曲线示意图；

图6是本发明机器人在不同速度下Z方向抖动频率的波形曲线示意图；

图7是本发明本发明第三实施方式提供的机器人刚度性能测试方法的流程示意图；

图8是本发明固有频率抖动时频域波形曲线示意图；

图9是本发明基于激光跟踪仪的机器人刚度性能测试装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种基于激光跟踪仪的机器人刚度性能测试方法，如图1所示，该方法包括：

步骤11，控制机器人执行特定的测试动作，借助采样设备采集机器人执行点的点组A，将点组A的坐标点和采集时间结合获得机器人执行点位置和时间的波动曲线；

步骤12，根据所述机器人执行点位置和时间的波动曲线，进行机器人刚度性能分析。

如图2所示，本发明的第二实施方式在第一实施方式基础上进行扩展，提供了一种机器人刚度性能测试方法，针对机器人的轨迹抖动幅度和轨迹抖动频率性能测试，具体可以包括：

步骤21，机器人和激光跟踪仪的安装。

在本步骤中，在进行测试前，将机器人安装固定如图3所示，激光跟踪仪2正对机器人1。将带磁力的靶球座吸附在机器人末端的法兰盘上，偏心放置，或安装在延长的工装上，便于测试。确保在标定过程中机器人的靶球位置固定不动，且整个标定过程中激光跟踪仪可以始终检测到靶球位置，无遮挡。

步骤22，设置激光跟踪仪采样频率。

在本步骤中，采样频率设置为200Hz，根据奈奎斯特采样定理，对于采样频率一半即100Hz以内的抖动，可以比较有效的进行采集，针对目前的工业机器人，足够满足分析机器人抖动使用。若随着技术的发展，还需要分析至更高频段的抖动特性，可类比设置更高的采样频率，并不作限制。

步骤23，进行机器人和激光跟踪仪的坐标系拟合。

在本步骤中，控制机器人运行至任意n个(例如3个)不在同一直线内的点，并将这3个点在机器人坐标系中的坐标值，输入激光跟踪仪中完成坐标系拟合，即拟合后输出的点位信息不再是相对于激光仪坐标系，而是相对于机器人坐标系，从而便于后续数据处理时区分抖动相对于机器人自身的方向。

步骤24，控制机器人按照测试程序运行，激光跟踪仪根据预设采样频率采集机器人执行点的点组A，将点组A的坐标点和采集时间结合获得机器人执行点的位置和时间。

在本步骤中，控制机器人按照测试程序，该测试程序可以设定为待研究的抖动敏感路径进行运动，例如由A点启动，运行至B点停止。激光跟踪仪按照Δt＝0.005s的时间间隔，采集得到点组A＝(x_i,y_i,z_i)(i＝1,2…n)。将点组的坐标点和采集时间结合即获得了机器人执行点位的位置时间。

步骤25，轨迹抖动幅度分析。

在本步骤中，采集得到的机器人末端抖动波形是在三维空间内的一条曲线，通过软件在三维建模空间内显示，为了分析其抖动的幅值和频率，通常会将其投影在平面(XOY、XOZ、YOZ)内进行，例如测试轨迹在机器人XOZ平面内，则将检测数据也投影在XOZ平面内，即横坐标显示该坐标点组的x_i，纵坐标显示该坐标点组的y_i，如图4所示。

步骤26，轨迹抖动频率分析。

在本步骤中，通过轨迹抖动幅度分析，进行XOY、XOZ、YOZ三个平面沿X、Y、Z任意方向的轨迹抖动幅度分析，确定抖动较大的平面和方向，或选择对实际应用影响最大的关注抖动方向。例如发现机器人在XOZ平面内沿着Z方向的抖动最严重，则根据采样点间Δt＝0.005s的等时间间隔，将XOZ平面内的波动曲线转化为Z方向幅值和时间的波动曲线，z(t)＝(iΔt,z_i)(i＝1,2…n)，如图5所示。

此外，在获取抖动幅值和时间的波动曲线后，以此为基础计算速度-时间曲线、加速度-时间曲线，最大抖动速度、抖动速度波动等参数，本领域技术人员可以在上述速度计算方法的基础上拓展，在本发明中并不作详细说明，且应当视为都在本方法可实现的功能之内。

步骤27，对所述抖动最大方向上的抖动幅值和时间的波动曲线进行时频域的转化，进行频域分析。

在本步骤中，通过离散点的FFT(快速傅立叶变换，Fast Fourier Transform)变换，进行时频域的转化，即将讯号从原始域(通常是时间或空间)转换到频域的表示或者逆过来转换。变换后的频率波动曲线如图6所示，横坐标为抖动频率，单位HZ，纵坐标为该频率段波形抖动的平均有效值，单位mm，该波动曲线主要表达该频道波动能量的大小。根据变换后的频率波动曲线，进行频域分析。

由频率波形曲线可见，当以10mm/s移动时，在较低频段有幅值0.1左右的抖动，同时在高频15Hz左右存在高频抖动，与时域波形效果一致，完成频域分析功能。此外，此功能在实际使用中，可以根据波动频率与机器人运动速度的关系等进行分析该频率段的波动形成的主因，从而有针对的进行改善处理。

如图7所示，本发明的第三实施方式在第一实施方式基础上进行扩展，提供了一种机器人刚度性能测试方法，针对机器人的固有频率抖动测试，具体可以包括：

步骤71，机器人和激光跟踪仪的安装。

在本步骤中，在进行测试前，将机器人安装固定如图3所示，激光跟踪仪正对机器人。将带磁力的靶球座吸附在机器人末端的法兰盘上，偏心放置，或安装在延长的工装上，便于测试。确保在标定过程中机器人的靶球位置固定不动，且整个标定过程中激光跟踪仪可以始终检测到靶球位置，无遮挡。

步骤72，设置激光跟踪仪采样频率。

在本步骤中，采样频率设置为200Hz，根据奈奎斯特采样定理，对于采样频率一半即100Hz以内的抖动，可以比较有效的进行采集，针对目前的工业机器人，足够满足分析机器人抖动使用。若随着技术的发展，还需要分析至更高频段的抖动特性，可类比设置更高的采样频率，并不作限制。

步骤73，进行机器人和激光跟踪仪的拟合坐标系。

在本步骤中，控制机器人运行至任意3个不在同一直线内的点，并将这3个点在机器人坐标系中的坐标值，输入激光跟踪仪中完成坐标系拟合，即拟合后输出的点位信息不再是相对于激光仪坐标系，而是相对于机器人坐标系，从而便于后续数据处理时区分抖动相对于机器人自身的方向。

步骤74，沿测试方向敲击机器人本体末端法兰，根据预设采样频率采集机器人在测试方向上的点组A。

在本步骤中，沿测试方向敲击机器人本体末端法兰，例如若测试机器人Z方向固定频率则沿Z方向敲击；若测试器人Y方向的固定频率，则沿Y方向敲击。激光跟踪仪按照Δt＝0.005s的等时间间隔，采集得到机器人在测试方向上的点组A＝(x_i,y_i,z_i)(i＝1,2…n)。

步骤75，根据测试方向筛选数据，将点组A转化为测试方向幅值和时间关联的波动曲线。

在本步骤中，因为激光跟踪仪的功能是高频实时采集目标的点的位置信息，则获取的数据包含(x,y,z,t)。在测试中，敲击方向和数据筛选方向一致，例如沿着X方向敲击，根据测试方向筛选数据，则分析数据时就忽略y，z，仅用x，t数据绘制x-t曲线，令所有x数值减去敲击起始点的x坐标x₀，得到的差值即抖动的幅度Δx，绘制纵坐标抖动的幅度Δx横坐标时间t的曲线，即幅值时间曲线x’-t。

步骤76，对所述测试方向幅值和时间的波动曲线进行时频域的转化，得到固有频率抖动时频域的波动曲线，进行频域分析。

在本步骤中，通过离散点的FFT(快速傅立叶变换，Fast Fourier Transform)变换，进行时频域的转化，即将讯号从原始域(通常是时间或空间)转换到频域的表示或者逆过来转换。变换后的频率波动曲线如图8所示，横坐标为抖动频率，单位HZ，纵坐标为该频率段波形抖动的平均有效值，单位mm，该波动曲线主要表达该频道波动能量的大小。根据变换后的频率波动曲线，进行频域分析。

本发明以上各实施例提出了一种机器人刚度性能测试方法，可以实现机器人轨迹抖动幅度、轨迹抖动频率、固有频率等特性的测试，从而可以辅助分析机器人改善抖动问题。轨迹速度测试部分借助激光跟踪仪完成，这部分功能在市场现有Dynalog机器人性能测试设备功能中尚未具备，且用激光跟踪仪测试精度更高，显示数据中干扰波动更少。本发明的测试方法，可以同样用于测试机器人的固有频率特性。现有技术中存在通过加速度传感器等其他方法实现机器人固有频率测试，但对于一般机器人厂家而言，激光跟踪仪等标定设备几乎是必备的，借助激光跟踪仪这个设备可以通过二次开发，同步兼顾多种测试能力，从而实现一机多用，也可以实现便于操作，节约成本的目的。

需要说明的是，本发明各实施例提供的算法不仅限于激光跟踪仪，配合其他可以较精确的高频采集位置信息的设备，同样可以实现测试功能。

本发明还涉及一种基于激光跟踪仪的机器人刚度性能测试装置，如图9所示，包括：

至少一个处理器91；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器92；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行实现上述的方法步骤。

其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如***设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。

处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，***接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

不难发现，本实施方式为与第一～三实施方式相对应的装置实施例，本实施方式可与第一～三实施方式互相配合实施。第一～三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一～三实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种机器人刚度性能测试方法，其特征在于，包括：

控制机器人执行特定的测试动作，借助采样设备采集机器人执行点的点组A，将点组A的坐标点和采集时间结合获得机器人执行点位置和时间的波动曲线；

根据所述机器人执行点位置和时间的波动曲线，进行机器人刚度性能分析。

2.根据权利要求1所述的机器人刚度性能测试方法，其特征在于，所述采样设备为激光跟踪仪或者位置点信息跟踪采样设备。

3.根据权利要求1所述的机器人刚度性能测试方法，其特征在于，所述机器人刚度性能包括机器人轨迹抖动幅度和轨迹抖动频率；或者机器人固有频率抖动。

4.根据权利要求3所述的机器人刚度性能测试方法，其特征在于，所述控制机器人执行特定的测试动作，具体包括：

控制机器人按照预设的测试程序运行，根据预设采样频率采集机器人执行点的点组A，以对运行中的轨迹抖动幅度和轨迹抖动频率进行测试。

5.根据权利要求3所述的机器人刚度性能测试方法，其特征在于，所述控制机器人执行特定的测试动作，具体包括：

沿测试方向敲击机器人执行端，根据预设采样频率采集机器人在测试方向上的点组A，以进行静态的固有频率抖动测试。

6.根据权利要求1所述的机器人刚度性能测试方法，其特征在于，所述方法还包括：进行机器人和采集设备的坐标系拟合，具体为：

控制机器人运行至任意n个不在同一直线内的点，并将这n个点在机器人坐标系中的坐标值，填入采集设备中完成坐标系拟合，其中n大于等于3。

7.根据权利要求1所述的机器人刚度性能测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述机器人执行点位置和时间的波动曲线在三维建模空间中显示，进行XOY、XOZ、YOZ三个平面沿X、Y、Z任意方向的轨迹抖动幅度分析，确定抖动最大的平面和方向。

8.根据权利要求7所述的机器人刚度性能测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据采样时间间隔，通过离散点的FFT变换，对抖动最大方向上的抖动幅值和时间形成的波动曲线进行时频域的转化，得到抖动频率的时频域波动曲线，以进行机器人刚度性能的频域分析。

9.根据权利要求8所述的机器人刚度性能测试方法，其特征在于，在静态的固有频率抖动测试时，所述方法还包括：根据测试方向筛选数据。

10.一种机器人刚度性能测试装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至9中任一所述的基于激光跟踪仪的机器人刚度性能测试方法。