[发明专利]基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法

权利要求书

1.基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：将关节电流信息引入，建立基于关节电流的工业机器人振动模型；

步骤二：同时，建立工业机器人三维模型，并利用有限元分析软件进行模态仿真，获得前n阶模态固有频率和振型，其中，n为机器人关节数；

步骤三：在机器人各关节运动方向，按照测点要反应机器人结构特点的原则，根据模态仿真得到的振型特点优化测点布置，并进行模态实验，获得前n阶模态固有频率、阻尼比、质量与刚度；通过与步骤二仿真所得前n阶模态固有频率对比，相互验证实验与仿真的正确性；如果仿真与实验结果相差大则循环步骤二到步骤三，否则进入步骤四；

步骤四：通过规划机器人路径，实验采集机器人单关节运动与多关节联动时的关节电流信号，以及各关节运动时的加速度信号；

步骤五：利用关节电流计算振动系统激励，与步骤三得到的模态参数一并带入基于关节电流的工业机器人振动模型，通过模型求解得到各关节振动响应；因为实验实测加速度为机器人关节周向加速度，为方便对比验证，通过对系统振动响应进行坐标变换和频域微分，并计算周向加速度，再进行滤波和归一化之后得到关节加速度响应。

2.根据权利要求1所述的基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，其特征在于：所述步骤一中，将关节电流信息引入，通过电流计算振动系统激励F(t)＝T_en_i，其中n_i是第i关节减速器的减速比，公式T_e＝K_tI_i，其中K_t是关节转矩常数，I_i为机器人第i关节周期电流信号，并建立基于关节电流的工业机器人振动模型为其中M﹑K分别是质量和刚度；阻尼为C＝αM+βK，其中α﹑β为比例系数，ω_i与ω_j为第i阶与第j阶模态频率，ζ_i与ζ_j为第i阶与第j阶模态阻尼比，i≤n,j≤n，i≠j，n为机器人关节数。

3.根据权利要求1所述的基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，其特征在于：所述步骤二中，对三维模型进行结构等效简化、材料设定、网格划分、定义接触面约束、测试环境设定以及模态仿真计算，得到前n阶模态固有频率和振型。

4.根据权利要求1所述的基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，其特征在于：所述步骤三中，在机器人各关节运动方向，按照测点要反应机器人结构特点的原则，根据模态仿真得到的振型特点，在振型变形最大区域优化布置模态实验的测点；

根据布置的测点建立几何模型，开始进行模态实验，先进行通道设置、锤击示波、锤击设置和驱动点设置，再开始进行测试；测试时依次对各个测点进行力锤激励，对每个点激励至少3次取平均，得到机器人前n阶模态固有频率与仿真固有频率进行对比相互验证实验与仿真的正确性，并获得阻尼比ζ、质量M和刚度K。

5.根据权利要求1所述的基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，其特征在于：所述步骤四中，通过定义机器人各关节角度规划机器人路径，利用电流传感器获取机器人第i关节周期电流信号I_i，利用加速度传感器获取机器人第i关节周向加速度信号。

6.根据权利要求1所述的基于关节电流和模态分析的工业机器人关节振动求解方法，其特征在于：所述步骤五具体为：

通过步骤一中所述先利用关节电流计算振动系统激励，再对基于关节电流的工业机器人振动模型进行模态坐标变换，首先由|K-λM|＝0，Φ＝MΦΛ和Λ＝diag(λ)得到模态矩阵Φ，通过M_r＝Φ^TMΦ，C_r＝Φ^TCΦ，K_r＝Φ^TKΦ和P_r(t)＝Φ^TF(t)得到解耦方程其中M_r、C_r和K_r分别是模态质量、模态阻尼和模态刚度，P_r(t)是模态激励，并通过龙格库塔等数值法求解和Q(t)；

由模态坐标变换X(t)＝ΦQ(t)和得到位移响应X(t)和速度响应并通过频域微分或得到加速度响应其中因为实验实测振动为周向加速度，为方便对比验证，由得到周向加速度,其中r为运动圆周半径；f_d和f_u分别为下限截止频率和上限截止频率；X(k)为或者X(t)的傅里叶变换；Δf为频率分辨率；

最后对求解所得周向加速度进行滤波和归一化处理之后得到关节加速度响应。