多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂振動分析及檢測方法

周微+張波+吳正勇

摘 要：本文以多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂為例首先分析其運(yùn)動規(guī)律，構(gòu)建了耦合動力學(xué)模型并以此為基礎(chǔ)將機(jī)械手臂作為一個(gè)系統(tǒng)推導(dǎo)出其固有頻率表達(dá)式，分析與固有頻率相關(guān)參數(shù)。其次，提出使用反饋方法來檢測手臂關(guān)節(jié)電機(jī)處的振幅和頻率，設(shè)計(jì)了硬件檢測電路原理圖。最后，繪制實(shí)際振幅波形圖，分析振動規(guī)律，為下一步如何消除或者抑制振動奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：多關(guān)節(jié)機(jī)械手；振動；動態(tài)特性

0 引言

隨著智能裝備的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)機(jī)械手臂的使用，機(jī)械手臂不僅效率高，而且國產(chǎn)化的不斷發(fā)展也使其成本在逐步降低。但是機(jī)械手臂的振動問題一直以來沒有很好的解決，當(dāng)機(jī)械手臂在某時(shí)刻的固有頻率和激勵源頻率相同或相近時(shí)，手臂的振動不斷放大，嚴(yán)重影響機(jī)械手的定位。

1 機(jī)械手臂模型分析

如圖1所示為機(jī)械手臂簡化圖，機(jī)械手由三條手臂構(gòu)成，分別為臂1、臂2、臂3，每個(gè)手臂之間通過電機(jī)轉(zhuǎn)動連接，臂1為最末端關(guān)節(jié)，上面安裝手爪來抓取物品。

通常對多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的抑制方法有以下幾種：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、反饋控制、輸入指令等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉延杰在《硅片傳輸機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法》（機(jī)械工程學(xué)報(bào)）對機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有較深入的研究。本文著重從反饋控制研究對機(jī)械手臂振動的方法。

J為轉(zhuǎn)動慣量矩陣，τ為廣義力矩矢量。

2 動態(tài)特性分析

將整個(gè)機(jī)械手臂作為一個(gè)整體系統(tǒng)研究，固有頻率為系統(tǒng)的固有屬性，對多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的動力學(xué)模型分析并根據(jù)公式1，得出固有頻率公式：

ω為系統(tǒng)的固有頻率，A為模態(tài)振動矢量。由于機(jī)械手臂在運(yùn)動中的位置始終變化，其質(zhì)量矩陣為時(shí)變矩陣，所以系統(tǒng)的固有頻率隨機(jī)械手臂的位置變化而變化，其值非定值。

3 機(jī)械手臂振動檢測

（1）檢測硬件原理圖

使用msp430系列單片機(jī)相應(yīng)速度快，處理能力強(qiáng)，性價(jià)比高，故選擇型號2553作為核心處理芯片，以壓力傳感器作為振幅檢測元件，構(gòu)建硬件檢測電路，系統(tǒng)原理圖如圖2所示，傳感器的檢測數(shù)據(jù)通過AD574轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳輸給單片機(jī)處理，單片機(jī)對數(shù)據(jù)濾波及分析后將結(jié)果傳輸給上位機(jī)。

（2）檢測結(jié)果

振幅傳感器安裝在關(guān)節(jié)處的電機(jī)上，構(gòu)成半閉環(huán)控制方式。通過實(shí)驗(yàn)得到振動數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)繪制其時(shí)域振動波形圖。

通過檢測振幅的變化來調(diào)整機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)律，使其振動避開固有頻率，保證機(jī)械手安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

以多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂為模型，建立動力學(xué)公式，進(jìn)一步求出系統(tǒng)固有頻率表達(dá)式。利用MSP430單片機(jī)及振幅傳感器為核心元件構(gòu)建硬件檢測電路，測得關(guān)節(jié)處電極的振動規(guī)律并將振動數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)控制中心，為下一步的抑制振動奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐計(jì)劃《雙臂機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵功能部件研制》，基金號：BE2013003-2