工業(yè)機(jī)器人在智能仿形示教系統(tǒng)中抖動問題分析與研究

朱亞紅 劉鴻亮

（1重慶市工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用服務(wù)工程技術(shù)研究中心，重慶，402160；2重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院機(jī)器人中心，重慶，402160）

0 引言

經(jīng)過多年發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其在汽車制造業(yè)，工業(yè)機(jī)器人得到廣泛的應(yīng)用。例如,在毛坯制造（沖壓、壓鑄、鑄造等）、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫碼垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)[1]。

工業(yè)機(jī)器人在正常工作時，可能會產(chǎn)生抖動，非正常抖動涉及到的原因較多，可能性較大的有以下幾個方面：一是工作周圍有其他的機(jī)械振動干擾，恰巧工作頻率和工業(yè)機(jī)器人工作頻率相一致，達(dá)到共振；二是工作時，機(jī)器人本身各運(yùn)動部位的振動頻率相一致，達(dá)到共振，進(jìn)而引起了振動；三是機(jī)器人電氣控制部分參數(shù)設(shè)置和控制部分算法有問題，引起了振動；四是機(jī)器人工作時，可能受到電信號或磁場干擾，從而產(chǎn)生控制不穩(wěn)定[2]。

本文針對第三種情況進(jìn)行詳細(xì)分析與研究。

1 智能仿形示教系統(tǒng)

智能仿形示教系統(tǒng)是一種機(jī)器人輔助示教裝置，通過收集人手部在操作機(jī)器人時形成軌跡數(shù)據(jù)，并將軌跡數(shù)據(jù)優(yōu)化后傳遞給工業(yè)機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人示教過程。

例如圖1為人工操作機(jī)器人實(shí)物圖，圖2為智能仿形示教軟件界面。

圖1 人工操作機(jī)器人

圖2 智能仿形示教軟件界面

智能仿形示教系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中，操作人員發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人在復(fù)現(xiàn)軌跡時，會出現(xiàn)抖動的問題。如果人工示教軌跡速度過快，那么機(jī)器人按照這個軌跡運(yùn)動時，會發(fā)出異常聲響，同時出現(xiàn)機(jī)器人速度發(fā)生突變的現(xiàn)象。通過監(jiān)控智能仿形示教系統(tǒng)軟件，可得到機(jī)器人發(fā)生抖動時的速度曲線，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人發(fā)生抖動時的速度曲線

2 問題分析

根據(jù)圖3分析得出機(jī)器人發(fā)生抖動時的軌跡數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)分析出機(jī)器人整個運(yùn)動軌跡的理論速度情況，如圖4所示。

根據(jù)ABB機(jī)器人RAPID程序指令MaxRobSpeed，得出當(dāng)前型號機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)的最大TCP(Tool Center Point,工具中心點(diǎn))速度是7000mm/s，如圖4中直線所示。從圖4中可以看出，機(jī)器人的軌跡速度有很大一部分是超過7000 mm/s的。根據(jù)ABB機(jī)器人RAPID指令手冊得知，軌跡速度超過7000 mm/s的部分，機(jī)器人會按照最大速度（即7000 mm/s）移動。因此，得出機(jī)器人實(shí)際速度曲線圖，如圖5所示。

圖4 機(jī)器人理論速度曲線

圖5 機(jī)器人實(shí)際速度曲線

由圖4、圖5可以看出，在點(diǎn)1、2、3、4、5處，機(jī)器人的加速度會發(fā)生突變。根據(jù)原始數(shù)據(jù)繪制加速度，得出機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動加速度曲線圖、機(jī)器人實(shí)際速度和加速度對比圖，如圖6、圖7所示。

圖7 機(jī)器人實(shí)際速度和加速度對比

圖6 機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動加速度曲線

通過分析圖6、圖7中數(shù)據(jù)，得出機(jī)器人抖動的原因是：示教軌跡某些點(diǎn)速度過快，超過機(jī)器人TCP的最大速度7000m/s，機(jī)器人突然由加速，變?yōu)?000mm/s的勻速，導(dǎo)致加速度產(chǎn)生突變，機(jī)器人無法適應(yīng)如此大的加速度突變，導(dǎo)致機(jī)器人抖動。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 改變T值

在機(jī)器人軌跡數(shù)據(jù)不變的情況下，把下述RAPID指令中T∶=0.1改成T∶=1，也就是點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動時間變長，讓機(jī)器人速度降下來。

當(dāng)T∶=0.1時，編程代碼如下：

MoveJ [[X{J},Y{J},z{J}],[q1{J},q2{J},q3{J},q4{J}],[0,0,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]],v100T∶= 0.1,z5,tool1WObj∶=wobj1;

當(dāng)T∶=1時，編程代碼如下：

MoveJ [[X{J},Y{J},z{J}],[q1{J},q2{J},q3{J},q4{J}],[0,0,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]],v100T∶= 1,z5,tool1WObj∶=wobj1;

當(dāng)T=1時，速度和加速度曲線圖如圖8所示。

圖8 T=1時機(jī)器人速度與加速度曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：通過改變T值，機(jī)器人運(yùn)動軌跡和之前抖動軌跡相同，只是運(yùn)動速度變慢，未出現(xiàn)抖動情況。

3.2 改變Z值

在ABB機(jī)器人MoveL運(yùn)動指令中，包括Zonedata（運(yùn)行轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)）參數(shù)（詳細(xì)資料可參考RAPID手冊），該參數(shù)決定了TCP什么時候開始轉(zhuǎn)彎。如果把Zonedata設(shè)置成5mm,則當(dāng)TCP距離目標(biāo)點(diǎn)5mm時開始轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎過程中涉及到速度的調(diào)整和變化。如果將Zonedata值設(shè)置太小，則TCP只有很短的一段距離去調(diào)整速度；反之，如果將Zonedata值設(shè)置得大一些，那么TCP將會有很長的一段距離進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整速度，并朝下一個目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動。

機(jī)器人在軌跡數(shù)據(jù)相同的情況下，通過調(diào)整MoveL指令中Z的取值，分別取1、5、10、15、20、30、40、200，得出機(jī)器人速度曲線對比圖和機(jī)器人軌跡曲線對比圖，如圖9、圖10所示。

圖9 機(jī)器人速度曲線對比

圖10 機(jī)器人軌跡曲線對比

4 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人在智能仿形示教系統(tǒng)中復(fù)現(xiàn)軌跡時，盡管機(jī)器人型號可能不同，但是其TCP的最大速度總是固定的，無法改變。因此，解決機(jī)器人抖動問題的唯一辦法是：示教速度小于機(jī)器人TCP的最大運(yùn)動速度，即本文小于7000mm/s。

具體措施是：在數(shù)據(jù)導(dǎo)入機(jī)器人前，首先在智能仿形示教軟件上對所采集的機(jī)器人軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并判斷該組軌跡數(shù)據(jù)的運(yùn)動速度是否超過TCP最大運(yùn)動速度，如果超過，則該次采集的軌跡數(shù)據(jù)不符合機(jī)器人運(yùn)動的要求，不進(jìn)行導(dǎo)入，刪除數(shù)據(jù)，重新示教；反之，則判定數(shù)據(jù)有效，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工業(yè)機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)示教過程。

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