CN112179551A - 机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法和装置，方法包括：根据机器人的动力学模型和机器人的结构参数计算机器人的驱动关节的驱动力矩解析表达式；将存储的实验数据输入驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩、以及驱动电流进行拟合得到不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距；结合待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将截距取相反数得到待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数；计算不同实验位置的电机转矩系数和摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。由此，实现关节电机转矩系数与正反向摩擦力系数的同步测试，提高测试精度。

Description

机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法和装置

技术领域

本发明公开了一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法和装置，尤其涉及工业机器人动力学与控制技术领域。

背景技术

工业机器人是广泛应用在各个工业制造领域的重要设备，其能在危险恶劣的工作环境中实现高效准确的运行，是实现自动化生产的基石。为了提升工业机器人的综合性能，在机器人的性能评价、优化设计、控制算法开发、参数整定等环节中，对机器人“控制-驱动-电机-机械”这一机电***模型准确度有着较高要求，其中部分无法直接获取或不够准确的关键参数需要通过测试得到准确数值。

从机电耦合的角度出发，工业机器人是复杂的多轴耦合机电***，机械子***与控制子***之间存在相互影响的耦合作用，其中的关键过程为驱动电机的电枢电流在磁场中受到作用力产生驱动力矩，两者之间的转换系数即转矩系数是机电耦合***的关键参数。电机转矩系数的设计值一般标注在电机铭牌上，但是当机器人应用在表面喷涂、机械加工等工业场景中时，运行环境较为恶劣，受到粉尘、温度湿度变化以及机械结构装配质量等因素的影响，关节电机的转矩系数往往与设计值有一定偏差，并且电机运转方向不同也可能带来变化。

驱动力矩是驱动机械结构运行的作用力，可以通过机器人动力学理论建模得到，相关方法已经较为成熟，但是由于关节实际运行时的摩擦力很难通过理论建模准确得到，机器人的实际动力学行为与理论动力学模型存在较大差距，在应用动力学模型前应当对关节的摩擦力系数也进行测试。

通常，在电机安装前可以使用测功机对其进行转矩系数的测量，再以该系数和动力学模型为基础对安装后的机器人关节摩擦力模型进行测试，但是这一方法没有考虑到机械装配和运行环境对电机参数的影响，且步骤繁琐，不能满足机器人在安装运行一段时间后或工作环境变化后的参数快速校正的需求。

目前，对于工业机器人在实际应用中驱动电机转矩系数的测试校正还缺乏相关研究，面向机器人本体的电机转矩系数与关节摩擦力的快速测试还有待完善，为满足机电***精准建模的需要，急需提出一种面向机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法和装置，其目的是为了充分考虑机械结构与工作环境对关键机电参数的影响，实现关节电机转矩系数与正反向摩擦力系数的同步测试，提高测试精度。

根据本发明的机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法包括：

基于虚功原理建立机器人的动力学模型，获取机器人的机械结构参数，根据动力学模型和机械结构参数计算机器人的各驱动关节的驱动力矩解析表达式；获取预先存储的实验数据，其中，实验数据包括：各待测试关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流，以及按照角速度的方向将实验数据分别存储于两个数组中；将不同实验位置的两个数组中的实验数据分别输入驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩，将正向力矩、反向力矩和驱动电流进行拟合处理，得到不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距；根据拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将拟合线性函数的截距取相反数得到待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数；计算不同实验位置的电机转矩系数和摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。

另外，根据本发明的机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，还可以包括确定不同试验位置和待测试关节；保持其他关节不动，在不同试验位置控制待测试关节做梯形加减速往复运动，其中，待测试关节匀速运动阶段的速度与待测试关节在实际工作中的角速度大小呈正相关关系。获取在不同试验位置的实验数据。

根据本发明的一些实施例，获取在不同试验位置的实验数据，包括通过绝对值编码器获取待测试关节的角度；通过光栅编码器获取待测试关节的速度；通过对瞬时速度做差分获取待测试关节的角加速度；通过霍尔传感器获取待测试关节的驱动电流。

根据本发明的一些实施例，驱动力矩解析表达式为：

其中，τ为待测试关节实时的驱动力矩，

为驱动力矩中的惯性力分量，

为驱动力矩中的离心力与科氏力分量，G(θ)g为驱动力矩中的重力分量。另外，使用待测试关节的正向运动时的实验数据计算获得的为正向运动时的理论驱动力矩；使用待测试关节的反向运动时的实验数据计算获得的为反向运动时的理论驱动力矩。

根据本发明的一些实施例，拟合使用的公式为：

其中，K_t为待测试关节电机的转矩系数，I_q为待测试关节电机的驱动电流，f为待测试关节运行所受到的摩擦力，i为待测试关节的减速比。τ为待测试关节的理论驱动力矩，包含待测试关节的正向运动时的理论驱动力矩和反向运动时的理论驱动力矩，当使用待测试关节的正向运动时的理论驱动力矩时，拟合获得的函数为正向运动拟合函数；当使用待测试关节的反向运动时的理论驱动力矩时，拟合获得的函数为反向运动拟合函数。

根据本发明的一些实施例，在不同实验位置控制待测试关节做梯形加减速往复运动包括在机器人的预设工作空间内，以间距相等的方式均匀地选取若干个机器人末端执行器的坐标定位生成不同试验位置；在不同实验位置控制待测关节实施相同运动行程、相同速度规划的运动。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试装置，包括：建模模块、获取模块、第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块，其中，建模模块用于基于虚功原理建立机器人的动力学模型，获取机器人的机械结构参数，根据动力学模型和机械结构参数计算机器人的各驱动关节的驱动力矩解析表达式；获取模块用于获取预先存储的实验数据，其中，实验数据包括：各待测试关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流，以及按照角速度的方向将实验数据分别存储于两个数组中；第一计算模块用于将不同实验位置的两个数组中的实验数据分别输入驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩，将正向力矩、反向力矩和驱动电流进行拟合处理，得到不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距；第二计算模块用于根据拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将拟合线性函数的截距取相反数得到待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数；第三计算模块用于计算不同实验位置的电机转矩系数和摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。

另外，根据本发明上述实施例的机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试装置，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在本申请实施例的一种可能的实现方式中，还可以包括：

确定模块，用于确定不同试验位置和待测试关节；

实验模块，用于保持其他关节不动，在不同试验位置控制待测试关节做梯形加减速往复运动，其中，待测试关节匀速运动阶段的速度与待测试关节在实际工作中的角速度大小呈正相关关系。

记录模块，用于获取在不同试验位置的实验数据。

进一步地，在本申请实施例的一种可能的实现方式中，记录模块，具体用于通过绝对值编码器获取待测试关节的角度、通过光栅编码器获取待测试关节的速度、通过对瞬时速度做差分获取待测试关节的角加速度、通过霍尔传感器获取待测试关节的驱动电流。

进一步地，在本申请实施例的一种可能的实现方式中，第一计算模块，用于计算驱动力矩解析表达式为：

其中，τ为待测试关节实时的驱动力矩，

为驱动力矩中的惯性力分量，

为驱动力矩中的离心力与科氏力分量，G(θ)g为驱动力矩中的重力分量。另外，使用待测试关节的正向运动时的实验数据计算获得的为正向运动时的理论驱动力矩；使用待测试关节的反向运动时的实验数据计算获得的为反向运动时的理论驱动力矩。

本发明实施例提供的机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法可以包含如下有益效果：

基于虚功原理建立机器人的动力学模型，获取机器人的机械结构参数，根据动力学模型和机械结构参数计算机器人的各驱动关节的驱动力矩解析表达式；获取预先存储的实验数据，其中，实验数据包括：各待测试关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流，以及按照角速度的方向将实验数据分别存储于两个数组中；将不同实验位置的两个数组中的实验数据分别输入驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩，将正向力矩、反向力矩和驱动电流进行拟合处理，得到不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距；根据拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将拟合线性函数的截距取相反数得到待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数；计算不同实验位置的电机转矩系数和摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。由此，在充分考虑机械结构与工作环境对关键机电参数影响的情况下，实现关节电机转矩系数与正反向摩擦力系数的同步测试，提高测试精度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法的流程示意图；

图2为适用于本发明的一种六轴混联喷涂机器人的结构示意图；

图3是六轴混联喷涂机器人待测试关节驱动电流曲线与待测试关节角速度曲线对比图；

图4是六轴混联喷涂机器人关节测试实验的计算驱动力矩曲线图；

图5是六轴混联喷涂机器人正向运动阶段实际驱动电流散点图；

图6是六轴混联喷涂机器人正向运动阶段计算驱动力矩散点图；

图7是六轴混联喷涂机器人正向运动阶段实际驱动电流与计算驱动力矩线性拟合示意图；

图8是六轴混联喷涂机器人反向运动阶段实际驱动电流散点图；

图9是六轴混联喷涂机器人反向运动阶段计算驱动力矩散点图；

图10是六轴混联喷涂机器人反向运动阶段实际驱动电流与计算驱动力矩线性拟合示意图；

图11是六轴混联喷涂机器人关节验证实验的预测驱动电流与实际驱动电流对比图；

图12为本发明实施例的一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试装置的机构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是为了充分考虑机械结构与工作环境对关键机电参数的影响，实现关节电机转矩系数与正反向摩擦力系数的同步测试，提高测试精度。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法和装置。

图1为本发明实施例的一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法的流程示意图。如图1所示，该机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法，包括：

步骤101，基于虚功原理建立机器人的动力学模型，获取机器人的机械结构参数，根据动力学模型和机械结构参数计算机器人的各驱动关节的驱动力矩解析表达式。

其中，机器人可以理解为工业机器人等，不同类型的工业机器人会应用于不同的工作环境中，由于工作环境的不同，会造成机器人运行参数的不同或改变。

具体的，将机器人视作多刚体的连杆机构，基于虚功原理建立其理论动力学模型，在三维软件中建立机器人的三维模型，并通过三维软件采集机器人各构件的质量、长度、转动惯量等参数，带入基于虚功原理建立的理论动力学模型，得到机器人各个关节驱动力矩的解析表达式。其中，三维软件可以是Solidworks、Creo(Pro/E)等。

步骤102，获取预先存储的实验数据，其中，实验数据包括：各待测试关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流，以及按照角速度的方向将实验数据分别存储于两个数组中。

其中，预先存储的实验数据可以理解为提前确定的待测试关节，在机器人的预设工作空间内，以间距相等的方式均匀地选取若干个机器人末端执行器的坐标定位生成不同试验位置，在不同实验位置，保持其他关节不动，控制待测试关节做梯形加减速往复运动，从而获取的多组待测试关节在不同实验位置的实验数据。实验数据包括：待测试关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流。而获得各个实验数据的方法可以是通过绝对值编码器获取待测试关节的角度；通过光栅编码器获取待测试关节的速度；通过对瞬时速度做差分获取待测试关节的角加速度；通过霍尔传感器获取待测试关节的驱动电流。另外，多组待测试关节在不同实验位置的实验数据中，还会根据角速度方向将其区分为两个数组。同时，待测试关节匀速运动阶段的速度与待测试关节在实际工作中的角速度大小呈正相关关系。

具体的，从多组根据待测试关节在不同实验位置得到的实验数据中，选择其中的一组实验数据的两个数组，在两个数组中获取预先经过实验过程记录的各待测试关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流的实验数据。

步骤103，将不同实验位置的两个数组中的实验数据分别输入驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩，将正向力矩、反向力矩和驱动电流进行拟合处理，得到不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距。

其中，驱动力矩解析表达式为公式(1)：

其中，τ为待测试关节实时的驱动力矩，

为驱动力矩中的惯性力分量，

为驱动力矩中的离心力与科氏力分量，G(θ)g为驱动力矩中的重力分量，另外，使用待测试关节的正向运动时的实验数据计算获得的为正向运动时的理论驱动力矩；使用待测试关节的反向运动时的实验数据计算获得的为反向运动时的理论驱动力矩。另外，在工业机器人中，对于没有高速运动需求的轻型机器人，在其驱动力矩中，惯性分量与重力分量将占据主要地位，因此后续计算可以忽略离心力与科氏力分量。

另外，进行拟合使用的公式为公式(2)：

其中，K_t为待测试关节电机的转矩系数，I_q为待测试关节电机的驱动电流，f为待测试关节运行所受到的摩擦力，i为待测试关节的减速比，τ为待测试关节的理论驱动力矩，包含待测试关节的正向运动时的理论驱动力矩和反向运动时的理论驱动力矩，当使用待测试关节的正向运动时的理论驱动力矩时，拟合获得的函数为正向运动拟合函数；当使用待测试关节的反向运动时的理论驱动力矩时，拟合获得的函数为反向运动拟合函数。

具体的，将获得的多组预先存储的待测试关节在不同实验位置的角度、角速度、角加速度数据，按照角速度方向的不同，代入待测试关节的驱动力矩解析表达式，计算得到待测试关节在不同实验位置、不同运动方向的正向驱动力矩和反向驱动力矩。

然后将计算得到待测试关节在不同实验位置的正向驱动力矩和反向驱动力矩中的正向驱动力矩与采集的待测试关节电机驱动电流，通过最小二乘法做线性拟合，得到在不同实验位置的正向运动拟合线性函数的斜率与截距。

再将计算得到待测试关节在不同实验位置的正向驱动力矩和反向驱动力矩中的反向驱动力矩与采集的待测试关节电机驱动电流，通过最小二乘法做线性拟合，得到在不同实验位置的反向运动拟合线性函数的斜率与截距。

步骤104，根据拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将拟合线性函数的截距取相反数得到待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数。

具体的，将待测试关节在不同实验位置的正向拟合线性函数的斜率、反向拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值作为待测试关节正向运动时的电机转矩系数与反向运动时的电机转矩系数，将待测试关节在不同实验位置的正向拟合线性函数的截距、反向拟合线性函数的截距的相反数作为待测试关节正向运动时的摩擦力系数与反向运动时的摩擦力系数。

步骤105，计算不同实验位置的电机转矩系数和摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。

具体的，计算待测试关节在不同实验位置的正向与反向运动时的电机转矩系数和摩擦力系数各自的平均值，得到正向运动时与反向运动时待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。

举例而言，以如图2所示的六轴混联喷涂机器人为例，六轴混联喷涂机器人共包含六个关节，其主体为由第一旋转关节1、第二旋转关节2、第三旋转关节3通过各连杆驱动喷枪7运动而组成的平面并联机构8。此外，第四旋转关节4实现平面并联机构8绕竖直轴的转动，第五旋转关节5实现第四旋转关节4及平面并联机构8绕水平轴的转动，第六旋转关节6实现第五旋转关节5、第四旋转关节4及平面并联机构8绕竖直轴的转动。

首先基于虚功原理建立机械人的动力学模型，并将其写成如公式(3)所示的标准动力学方程形式：

其中，τ为待测试关节实时的驱动力矩，

为驱动力矩中的惯性力分量，

为驱动力矩中的离心力与科氏力分量，G(θ)g为驱动力矩中的重力分量，另外，使用待测试关节的正向运动时的实验数据计算获得的为正向运动时的理论驱动力矩；使用待测试关节的反向运动时的实验数据计算获得的为反向运动时的理论驱动力矩。由于该喷涂机器人不是有高速运动需求的轻型机器人，在其驱动力矩中，惯性分量与重力分量将占据主要地位，因此后续计算忽略离心力与科氏力分量。

在本实施例中，以该六轴混联喷涂机器人的关节1，即大臂驱动关节为待测试关节实施测试步骤，在三维软件中对该六轴混联喷涂机器人进行建模，将在三维软件中读取到的机器人的质量、长度、转动惯量等机械机构参数代入公式(3)，得到待测试关节1的驱动力矩的解析表达式为公式(4)：

其中，θ₁、θ₂、θ₃分别为待测试关节1、2、3的角度(单位：rad)，

分别为待测试关节1、2、3的角加速度(单位：rad/s²)，τ_d1为待测试关节1的驱动力矩(单位：N·m)。

图3为待测试关节1在实验中记录的关节驱动电流与关节角速度曲线，其中半透明虚线框中圈出的驱动电流数值原本为正值，考虑到此时驱动力矩反向而采集到的电机电流只能为正值，此处进行了去绝对值处理。由实验结果可见，在待测试关节速度由负向转为正向的时刻，其驱动电流数值存在正向的突变，在待测试关节速度由正向转为负向的时刻，其驱动电流数值存在同等幅度的反向的突变，这是由于待测试关节速度方向转变使得待测试关节受到的摩擦力方向转变导致的。

图4为将待测试关节1在实验中的角度、角速度、角加速度等数据代入式(4)得到的驱动力矩曲线，计算力矩曲线在待测试关节运动速度方向转变时保持连续。

图5、图6、图8、图9，为按照待测试关节角速度方向实施数据分组存储而得到的待测试关节在正向和反向运转时的实际驱动电流和计算驱动力矩曲线。

图7、图10，为对待测试关节在正向和反向运转时的实际驱动电流和计算驱动力矩以最小二乘法进行线性拟合的示意图，其中横坐标为实际驱动电流，纵坐标为计算驱动力矩，二者线性拟合效果良好，黑色实线为线性拟合结果，其表达式为公式(5)：

其中τ_d+为待测试关节1在正向运行时的驱动力矩(单位：N·m)，τ_d-为反向运行时的驱动力矩，I_q+为正向运行时的驱动电流(单位：A)，I_q-为反向运行时的驱动电流。线性拟合结果表达式的斜率单位为N·m/A，截距单位为N·m。

另外，在本实施例中，该六轴混联喷涂机器人的待测试关节的减速比在该六轴混联喷涂机器人出厂的时候由厂家设置为121，且在另一些实施例中，六轴混联喷涂机器人的待测试关节的减速比也可以由厂家设置为其他指定值。所以，在本实施例中，结合该待测试关节减速比121，根据公式(2)可以得到电机转矩系数与摩擦力的实验测试结果为公式(6)：

其中，K_t+为待测试关节1电机在正向运行时的转矩系数，K_t-为待测试关节1电机在反向运行时的转矩系数，f₊为待测试关节1电机在正向运行时的待测试关节摩擦力数值，f_-为待测试关节1电机在反向运行时的待测试关节摩擦力数值。

在机器人不同实验位置处重复进行6组测试实验，并将实验结果取平均值，得到待测试关节1的驱动电流I_q预测表达式为公式(7)：

其中，

为根据上述步骤得到的待测试关节电机正向转矩系数测试结果，

为根据上述步骤得到的待测试关节电机反向转矩系数测试结果，

为根据上述步骤得到的待测试关节正向摩擦力数值，

为根据上述步骤得到的待测试关节反向摩擦力数值，ω₁为待测试关节角速度，其正值表示待测试关节正向运行，负值表示反向运行。

图11，为将公式(7)中的待测试关节1电流预测模型应用于该待测试关节另一组运动实验的验证结果。其中，实际驱动电流为实验中采集得到的待测试关节的驱动电流曲线，预测驱动电流为将实验中采集得到待测试关节的位置、速度和角速度数据代入公式(7)得到的预测驱动电流曲线，从图中可以看出，两条曲线拟合良好，证明本发明提出的方法完成了对本实施例中机器人待测试关节1电机转矩系数和摩擦力的准确测试。

由上述可知，在本发明的实施例中，本发明的机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法，基于虚功原理建立机器人的动力学模型，获取机器人的机械结构参数，根据动力学模型和机械结构参数计算机器人的各驱动关节的驱动力矩解析表达式；获取预先存储的实验数据，其中，实验数据包括：各关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流，以及按照角速度的方向将实验数据分别存储于两个数组中；将不同实验位置的两个数组中的实验数据分别输入驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩，将正向力矩、反向力矩和驱动电流进行拟合处理，得到不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距；根据拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将拟合线性函数的截距取相反数得到待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数；计算不同实验位置的电机转矩系数和摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。由此，在充分考虑机械结构与工作环境对关键机电参数影响的情况下，实现关节电机转矩系数与正反向摩擦力系数的同步测试，提高测试精度。

为了实现上述实施例，本申请还提出一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试装置。

图12为本发明实施例提供的一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试装置的结构示意图。

如图12所示，该装置包括：建模模块1201、获取模块1202、第一计算模块1203、第二计算模块1204、第三计算模块1205。

建模模块1201，用于基于虚功原理建立机器人的动力学模型，获取机器人的机械结构数，根据动力学模型和机械结构参数计算机器人的各驱动关节的驱动力矩解析表达式；

获取模块1202，用于获取预先存储的实验数据，其中，实验数据包括：各关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流，以及按照角速度的方向将实验数据分别存储于两个数组中；

第一计算模块1203，用于将不同实验位置的两个数组中的实验数据分别输入驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩，将正向力矩、反向力矩和驱动电流进行拟合处理，得到不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距；

第二计算模块1204，用于根据拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将拟合线性函数的截距取相反数得到待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数；

第三计算模块1205，用于计算不同实验位置的电机转矩系数和摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。

进一步地，在本申请实施例的一种可能的实现方式中，还包括：确定模块1206、实验模块1207、记录模块1208，其中，

确定模块1206，用于确定不同试验位置和待测试关节；

实验模块1207，用于保持其他关节不动，在不同试验位置控制待测试关节做梯形加减速往复运动，其中，待测试关节匀速运动阶段的速度与待测试关节在实际工作中的角速度大小呈正相关关系。

记录模块1208，用于获取在不同试验位置的实验数据。

进一步地，在本申请实施例的一种可能的实现方式中，记录模块1208，具体用于通过绝对值编码器获取待测试关节的角度；通过光栅编码器获取待测试关节的速度；通过对瞬时速度做差分获取待测试关节的角加速度；通过霍尔传感器获取待测试关节的驱动电流。

进一步地，在本申请实施例的一种可能的实现方式中，第一计算模块1203，用于计算驱动力矩解析表达式为：

其中，τ为待测试关节实时的驱动力矩，

为驱动力矩中的惯性力分量，

为驱动力矩中的离心力与科氏力分量，G(θ)g为驱动力矩中的重力分量，另外，使用待测试关节的正向运动时的实验数据计算获得的为正向运动时的理论驱动力矩；使用待测试关节的反向运动时的实验数据计算获得的为反向运动时的理论驱动力矩。

需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

本发明实施例的机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试装置，建模模块基于虚功原理建立机器人的动力学模型，获取机器人的机械结构参数，根据动力学模型和机械结构参数计算机器人的各驱动关节的驱动力矩解析表达式；获取模块获取预先存储的实验数据，其中，实验数据包括：各待测试关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流，以及按照角速度的方向将实验数据分别存储于两个数组中；第一计算模块将不同实验位置的两个数组中的实验数据分别输入驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩，将正向力矩、反向力矩和驱动电流进行拟合处理，得到不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距；第二计算模块根据拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将拟合线性函数的截距取相反数得到待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数；第三计算模块计算不同实验位置的电机转矩系数和摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。由此，在充分考虑机械结构与工作环境对关键机电参数影响的情况下，实现关节电机转矩系数与正反向摩擦力系数的同步测试，提高测试精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试方法，其特征在于，包括：

基于虚功原理建立机器人的动力学模型，获取机器人的机械结构参数，根据所述动力学模型和所述机械结构参数计算所述机器人的各驱动关节的驱动力矩解析表达式；

获取预先存储的实验数据，其中，所述实验数据包括：各待测试关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流，以及按照所述角速度的方向将所述实验数据分别存储于两个数组中；

将不同实验位置的所述两个数组中的实验数据分别输入所述驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩，将所述正向力矩、所述反向力矩和所述驱动电流进行拟合处理，得到所述不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距；

根据所述拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将所述拟合线性函数的截距取相反数得到所述待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数；

计算所述不同实验位置的所述电机转矩系数和所述摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时所述待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获取预先存储的实验数据之前，还包括：

确定所述不同试验位置和所述待测试关节；

保持其他关节不动，在所述不同试验位置控制所述待测试关节做梯形加减速往复运动，其中，所述待测试关节匀速运动阶段的速度与所述待测试关节在实际工作中的角速度大小呈正相关关系；

获取在所述不同试验位置的所述实验数据。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取在所述不同试验位置的所述实验数据，包括：

通过绝对值编码器获取所述待测试关节的所述角度；

通过光栅编码器获取所述待测试关节的所述速度；

通过对瞬时速度做差分获取所述待测试关节的所述角加速度；

通过霍尔传感器获取所述待测试关节的所述驱动电流。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述驱动力矩解析表达式为：

其中，τ为所述待测试关节实时的驱动力矩，

为所述驱动力矩中的惯性力分量，

为所述驱动力矩中的离心力与科氏力分量，G(θ)g为所述驱动力矩中的重力分量，另外，使用所述待测试关节的正向运动时的所述实验数据计算获得的为正向运动时的理论驱动力矩；使用所述待测试关节的反向运动时的所述实验数据计算获得的为反向运动时的理论驱动力矩。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行拟合使用的公式为：

其中，K_t为所述待测试关节电机的转矩系数，I_q为所述待测试关节电机的所述驱动电流，f为所述待测试关节运行所受到的摩擦力，i为所述待测试关节的减速比，τ为所述待测试关节的理论驱动力矩，包含所述待测试关节的所述正向运动时的理论驱动力矩和所述反向运动时的理论驱动力矩，当使用所述待测试关节的所述正向运动时的理论驱动力矩时，拟合获得的所述函数为正向运动拟合函数；当使用所述待测试关节的所述反向运动时的理论驱动力矩时，拟合获得的所述函数为反向运动拟合函数。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在不同实验位置控制所述待测试关节做梯形加减速往复运动，包括：

在所述机器人的预设工作空间内，以间距相等的方式均匀地选取若干个所述机器人末端执行器的坐标定位生成所述不同试验位置；

在所述不同实验位置，控制所述待测试关节实施相同运动行程、相同速度规划的运动。

7.一种机器人的关节电机转矩系数与摩擦力同步测试装置，包括：

建模模块，用于基于虚功原理建立机器人的动力学模型，获取所述机器人的机械结构参数，根据所述动力学模型和所述机械结构参数计算所述机器人的各驱动关节的驱动力矩解析表达式；

获取模块，用于获取预先存储的实验数据，其中，所述实验数据包括：各待测试关节的角度、角速度、角加速度及驱动电流，以及按照所述角速度的方向将所述实验数据分别存储于两个数组中；

第一计算模块，用于将不同实验位置的所述两个数组中的实验数据分别输入所述驱动力矩解析表达式得到正向力矩和反向力矩，将所述正向力矩、所述反向力矩和所述驱动电流进行拟合处理，得到所述不同实验位置的拟合线性函数的斜率和截距；

第二计算模块，用于根据所述拟合线性函数的斜率和待测试关节的减速比的比值得到待测试关节正向与反向运动时的电机转矩系数，将所述拟合线性函数的截距取相反数得到所述待测试关节正向与反向运动时的摩擦力系数；

第三计算模块，用于计算所述不同实验位置的所述电机转矩系数和所述摩擦力系数的平均值，得到正向与反向运动时所述待测试关节的目标转矩系数与目标摩擦力数值。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

确定模块，用于确定所述不同试验位置和所述待测试关节；

实验模块，用于保持其他关节不动，在所述不同试验位置控制所述待测试关节做梯形加减速往复运动，其中，所述待测试关节匀速运动阶段的速度与所述待测试关节在实际工作中的角速度大小呈正相关关系；

记录模块，用于获取在所述不同试验位置的所述实验数据。

9.如权利要求8所述的装置，所述记录模块，具体用于：

通过绝对值编码器获取所述待测试关节的所述角度；

通过光栅编码器获取所述待测试关节的所述速度；

通过对瞬时速度做差分获取所述待测试关节的所述角加速度；

通过霍尔传感器获取所述待测试关节的所述驱动电流。

10.如权利要求9所述的装置，所述第一计算模块，用于计算所述驱动力矩解析表达式为：

其中，τ为所述待测试关节实时的驱动力矩，

为所述驱动力矩中的惯性力分量，

为所述驱动力矩中的离心力与科氏力分量，G(θ)g为所述驱动力矩中的重力分量，另外，使用所述待测试关节的正向运动时的所述实验数据计算获得的为正向运动时的理论驱动力矩；使用所述待测试关节的反向运动时的所述实验数据计算获得的为反向运动时的理论驱动力矩。

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