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CN106041944B - 一种工业机器人一维运动轨迹测试装置 - Google Patents

一种工业机器人一维运动轨迹测试装置 Download PDF

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CN106041944B CN201610640794.7A CN201610640794A CN106041944B CN 106041944 B CN106041944 B CN 106041944B CN 201610640794 A CN201610640794 A CN 201610640794A CN 106041944 B CN106041944 B CN 106041944B
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Abstract

本发明公开了一种工业机器人一维运动轨迹测试装置，该装置包括直线位移传感器和示波器，直线位移传感器一端经柔性连接组件与机器人本体的工作端连接，直线位移传感器的信号输出端与示波器的信号输入端连接，测试状态下，随着机器人本体工作端的运动，直线位移传感器将测得的电压信号传输给示波器，示波器记录并显示机器人本体工作端的一维运动轨迹。由于本发明提供的测试装置是通过高精度的直线位移传感器将测得的机器人本体一维运动轨迹的电压信号传输给示波器来进行记录并显示，因而不仅能够精确实现机器人一维运动的重复定位，提高测量精度，且还能够直观显示出机器人的一维运动轨迹，便于及时了解运动轨迹的现状。

Description

一种工业机器人一维运动轨迹测试装置
技术领域
本发明属于工业自动化、仪器仪表测控技术领域，涉及一种轨迹测试装置，具体涉及一种工业机器人一维运动轨迹测试装置。
背景技术
随着工业自动化技术的发展，工业机器人作为重要的实现工具，其使用领域不断扩大。为满足如精密码垛等工业应用，需要对机器人的运动轨迹进行测试，以实现利用轨迹数据对机器人运动性能进行评估及控制算法的优化。
机器人直线轨迹精度作为工业机器人性能评估的一项重要指标，综合反映了机器人的机电性能和运动轨迹的控制能力。因此，机器人直线轨迹检测技术和装置的研究对提高机器人学的研究水平、促进机器人产业化的发展具有重要意义。为了测量机器人的轨迹特性，国内外已经研究出多种测试装置，根据这些装置的测量原理，可分为非接触式测量和接触式测量两大类。非接触测量的测试装置根据测量原理不同，又可分为基于接近觉传感器的测量、摄影测量、光学三角测量和多边测量等【机器人直线轨迹精度测量方法研究，周静，东北大学】。其中，机器人的运动轨迹测试装置较为成熟的技术方案为基于光学三角测量的激光跟踪系统(Laser Tracker System)，该系统采用激光静态或动态地实时跟踪一个在空间中运动目标，同时确定目标点的空间三维坐标来完成测量，具体来说其工作原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标点，同时，返回光束被检测装置接收，检测装置接收的光束用来测试目标的空间位置。由于该系统集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术以及现代数值计算理论等各种先进技术，且又需采用高精密的光学器件，是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器，故而使光学跟踪测量系统价格过于昂贵，难以被广泛应用。接触式测量的测试装置是直接与机器人工作端执行器耦合，从耦合方式上又可分为机械耦合测量和球测量，如Bryan提出的机械耦合测试装置以及Vira和Estler描述的球形坐标测试装置【机器人直线轨迹精度测量方法研究，周静，东北大学】。但接触性测量因测试装置的测量端与机器人工作端是硬连接，故而不仅会在测量时对机器人运动造成干扰，影响测量精度，同时对测试装置也存在潜在的破坏危险。
发明内容
本发明旨在针对上述现有技术中的不足之处，提供一种对机器人一维运动轨迹进行测试的装置，该装置不仅具有较高的测试精度和测试效率，而且结构简单、操作方便，同时还能大大降低测试成本。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现。
本发明提供的一种工业机器人一维运动轨迹测试装置，该装置包括直线位移传感器和示波器，直线位移传感器一端经柔性连接组件与机器人本体的工作端连接，直线位移传感器的信号输出端与示波器的信号输入端连接。测试状态下，随着机器人本体工作端的运动，直线位移传感器将测得的电压信号传输给示波器，示波器记录并显示机器人本体工作端的一维运动轨迹。
上述工业机器人一维运动轨迹测试装置中所述的柔性连接组件是由平直连接杆和万向转动连接杆构成，该平直连接杆的一端与直线位移传感器固连，另一端与万向转动连接杆的万向头连接，万向转动连接杆通过杆头与机器人本体工作端固连。作为一种连接的实现方式，万向转动连接杆的万向头端部设置有一凹槽，平直连接杆的一端可以直接卡入凹槽中连接，使得在机器人本体工作端运动过程中，通过万向头相对平直连接杆的转动实现对直线位移传感器侧平直连接杆与万向转动连接杆之间的柔性调节，避免对直线位移传感器或机器人本体所产生的硬损伤；更进一步的，平直连接杆端部呈球形，且与之适配的万向头端部凹槽内侧为球形腔，从而减小万向头相对于平直连接杆的转动阻力。上述平直连接杆可以为直线位移传感器本身自带，当直线位移传感器没有自带平直连接杆时，可以将外购或加工的平直连接杆通过螺栓、销钉等连接件与直线位移传感器进行固连。上述万向转动连接杆也可以由单独的连接杆和万向连接头固定连接构成的部件替代。
上述工业机器人一维运动轨迹测试装置中万向转动连接杆的杆头是通过一法兰盘与机器人本体工作端连接。所述法兰盘与机器人本体工作端连接面中部为一带内螺纹通孔的圆形凸起，四周盘面上开有连接通孔(数量至少为4个)，以通过连接件与机器人本体工作端匹配紧固连接，万向转动连接杆则通过杆头上的外螺纹与法兰盘中带内螺纹的通孔匹配相连，或所述法兰盘与机器人本体工作端连接面中部为一带内螺纹通孔的圆形凹槽，四周盘面上开有连接通孔(数量至少为4个)，以通过连接件与机器人本体工作端匹配紧固连接，万向转动连接杆则通过杆头上的外螺纹与法兰盘中带内螺纹的通孔匹配相连。为了保证直线位移传感器、平直连接杆和万向转动连接杆与机器人本体工作端能够成一直线，以使直线位移传感器测得的数据能够更精确的反映机器人本体的运动轨迹，直线位移传感器应通过前后两固定支架安放在工作平台上。
上述工业机器人一维运动轨迹测试装置，为了确保机器人沿直线运动，与万向转动连接杆连接的机器人本体工作端进一步安装有激光器，通过观测机器人运动前后激光点的位置变化情况来判断机器人是否沿直线运动。
工作时，当直线位移传感器、平直连接杆和万向转动连接杆与机器人本体工作端沿X轴、Y轴或Z轴连成一直线后，可以检测机器人本体沿X轴、Y轴或Z轴的运动轨迹，一旦出现偏差，即可及时对机器人本体的运动进行调整。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明提供的测试装置是通过一柔性连接组件与机器人本体的工作端连接，因而不仅能够避免现有技术硬连接对直线位移传感器或机器人本体所产生的硬损伤，且还可增加测试的有效性和可靠性。
2、由于本发明提供的测试装置是通过高精度的直线位移传感器将测得的机器人本体一维运动轨迹的电压信号传输给示波器来进行记录并显示，因而不仅能够精确实现机器人一维运动的重复定位，提高测量精度，且还能够直观显示出机器人的一维运动轨迹，便于及时了解运动轨迹的现状。
3、由于本发明提供的测试装置仅是采用的现有直线位移传感器、柔性连接组件和示波器等进行组配连接就可以实现对机器人一维运动轨迹的测量，因而该测试装置不仅具有结构简单，操作方便，成本低等特点，且为工业机器人一维运动轨迹测试领域提供了一种新的测量装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例需要展示的结构图，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1为本发明提供的工业机器人一维运动轨迹测试装置的结构示意图。
图2为本发明提供的工业机器人一维运动轨迹测试装置中直线位移传感器和柔性连接组件与机器人本体的连接结构示意图。
图3为本发明提供的工业机器人一维运动轨迹测试装置与机器人本体工作端连接的俯视结构示意图。
图4为本发明提供的工业机器人一维运动轨迹测试装置中的电气连接示意图。
图5为本发明实施例1提供的工业机器人一维运动轨迹测试装置中法兰盘的结构示意图。
图6为本发明实施例2提供的工业机器人一维运动轨迹测试装置中法兰盘的结构示意图。
图7为本发明实施例3提供的工业机器人一维运动轨迹测试装置中法兰盘的结构示意图。
图8为用本发明提供的工业机器人一维运动轨迹测试装置进行试验测试得到的运动轨迹与运动指令对应示意图。
图9为用本发明提供的工业机器人一维运动轨迹测试装置进行试验测试得到的运动轨迹与运动方向对应示意图。
其中，1-直线位移传感器，2-平直连接杆，3-万向转动连接杆，4-万向头，5-法兰盘，6-凸起，7、8-凹槽，9-连接通孔，10-固定支架，11-示波器，12-工作平台，13-电源，14-机器人本体，15-机器人本体工作端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
值得说明的是，本发明实施例所适用的机器人本体14至少具有两个可活动关节，其中第一关节固定在一支架上，第一关节通过第一悬臂与第二关节连接，第二关节通过第二悬臂与机器人本体工作端15固定连接；根据单片机发出的命令，至少可实现第一悬臂绕第一关节旋转、第二悬臂绕第二关节旋转，从而带动机器人本体工作端15沿一维直线运动。
实施例1
为了实现对机器人本体一维运动轨迹的检测，本实施例提供了一种工业机器人一维运动轨迹测试装置，如图1至图3所示，该装置包括直线位移传感器1、平直连接杆2、万向转动连接杆3、法兰盘5、示波器11和工作平台12。
直线位移传感器1一端与平直连接杆2通过螺栓固定连接，输出端与示波器11的输入端连接，平直连接杆2的另一端直接卡入万向转动连接杆3的万向头4上设置的凹槽内连接，万向转动连接杆3是通过与杆头一端相连的法兰盘5与机器人本体工作端15连接。本实施例采用的法兰盘5与机器人本体工作端15接触的连接面中部为一带内螺纹通孔的圆形凸起6，四周盘面上开有的均匀分布的6个连接通孔9，如图5所示。万向转动连接杆3的杆头是通过法兰盘圆形凸起6中带内螺纹的通孔与之匹配相连，法兰盘5中凸起6的外径与该机器人本体工作端15的凹陷部位相适配，并通过法兰盘四周盘面上开有的均匀分布的6个连接通孔9用螺栓和螺帽匹配与机器人本体工作端15紧固连接。为了保证测试的稳定和准确，直线位移传感器1是通过两个固定支架10安放在工作平台12上。
如图4所示，直线位移传感器1内部安装有滑动变阻器，滑动变阻器的滑片在平直连接杆2带动下往复移动，滑动变阻器滑片的电输出端作为直线位移传感器1的信号输出端与示波器11的信号输入端连接，直线位移传感器1由电源13供电。
本实施例采用的直线位移传感器型号为MIRAN KTM-250mm。
本实施例采用的电源13为数字电源，可以提供稳定的5V直流电。
本实施例采用的示波器11为数字示波器，可以输出的0-5V连续模拟信号，型号为RIGOL MSO1104。
采用本发明提供的测试装置对工业机器人进行一维运动轨迹测试，步骤如下：
步骤1，将测试装置与机器人本体14连接
按照上述描述顺次连接直线位移传感器1、平直连接杆2、万向转动连接杆3，再将法兰盘5与机器人本体工作端15固连，然后将万向转动连接杆3旋入法兰盘5完成测试装置与机器人本体14连接。
步骤2，预先给机器人设定运动轨迹
预先设定的运动轨迹需要在直线位移传感器1的检测量程范围内；然后根据机器人运行的速度及时间等参数结合直线位移传感器相关参数，调节好示波器11的扫描电压、扫描时间等参数，位移电压关系为：S＝Sm/Vm·Vo，其中，S：测量位移，Sm：最大位移量程，Vm：供电电压，Vo：传感器输出电压。
步骤3，调整测试装置至机器人沿直线运动
控制机器人沿设定的运动轨迹运动，打开安放在机器人本体工作端15激光器(安装在机器人本体工作端15一侧，图中未示出)，通过观测机器人运动前后激光点的位置变化情况来判断机器人是否沿直线运动，若是进入下一步；若不是，调整机器人本体工作端15位置或者是万向转动连接杆3，然后利用激光器重新检测机器人本体工作端15运动轨迹至机器人运动前后激光点的位置基本没有变化，说明机器人本体14沿直线运动。
步骤4，测试机器人一维运动轨迹
机器人按照预先给定的运动指令运动，直线位移传感器1将测量的电压信号传输给示波器11，示波器11上显示的波形即为机器人随时间的一维运动轨迹，并记录下。
重复步骤4，可以得到若干波形图，对比得到的波形图，可以实现对机器人运动的重复定位。
为了探究示波器显示图形与机器人一维运动轨迹的关系，进一步研究了机器人一维运动轨迹与运动指令及运动方向之间的关系，如图8和图9所示。
如图8所示，当运动指令为沿正方形移动一段距离时，机器人根据给定的运动指令运动；随着机器人移动，示波器11示出的是电压逐渐升高的波形，电压越高，代表机器人沿正向运动越远。
如图9所示，当机器人沿正向运动时，示波器11上得到的正向电压是逐渐升高，当示波器11上得到的正向电压逐渐降低时，说明机器人沿与负方向(与正方向相反的方向)运动。在机器人运动过程中，可以精确得到直线位移传感器输出电压V0，再通过公式S＝Sm/Vm·Vo，可以精确得到机器人沿直线运动的位移，从而能够实现机器人一维运动的重复定位。
实施例2
本实施例与实施例1给出的工业机器人一维运动轨迹测试装置基本相同，与实施例1不同之处在于采用的法兰盘不同。
本实施例采用的法兰盘5具有与机器人本体工作端15接触的连接面，连接面的中部为一带内螺纹通孔的圆形凹槽7，凹槽7的内径与机器人本体工作端15的凸出部位相适配，法兰盘5四周盘面上开有均匀分布的4个连接通孔9，见图6。
实施例3
本实施例与实施例1给出的工业机器人一维运动轨迹测试装置基本相同，与实施例1不同之处在于采用的法兰盘不同。
本实施例采用的法兰盘5具有与机器人本体工作端15接触的连接面，连接面的中部为一带内螺纹通孔的圆形凹槽8，凹槽8的内径与机器人本体工作端15的凸出部位相适配，法兰盘5四周盘面上开有6个连接通孔9，见图7。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种工业机器人一维运动轨迹测试装置，其特征在于该装置包括直线位移传感器(1)和示波器(11)；直线位移传感器(1)一端经柔性连接组件与机器人本体工作端(15)连接；直线位移传感器(1)的信号输出端与示波器(11)的信号输入端连接；其中所述柔性连接组件是由平直连接杆(2)和万向转动连接杆(3)构成，该平直连接杆(2)的一端与直线位移传感器(1)固连，另一端与万向转动连接杆(3)的万向头(4)连接，万向转动连接杆通过杆头和机器人本体工作端(15)固连；
测试状态下，随着机器人本体(14)的运动，直线位移传感器(1)将测得的电压信号传输给示波器(11)，示波器(11)记录并显示机器人本体工作端(15)的一维运动轨迹。
2.根据权利要求1所述工业机器人一维运动轨迹测试装置，其特征在于所述万向转动连接杆(3)的万向头(4)端部设置有一凹槽，平直连接杆(2)的一端直接卡入凹槽中连接。
3.根据权利要求1或2所述工业机器人一维运动轨迹测试装置，其特征在于所述万向转动连接杆(3)的杆头是通过一法兰盘(5)与机器人本体工作端(15)连接。
4.根据权利要求3所述工业机器人一维运动轨迹测试装置，其特征在于所述法兰盘(5)与机器人本体工作端连接面中部为一带内螺纹通孔的圆形凸起(6)，四周盘面上开有连接通孔(9)，以通过连接件与机器人本体工作端(15)匹配紧固连接，万向转动连接杆(3)则通过杆头上的外螺纹与法兰盘(5)中带内螺纹的通孔匹配相连。
5.根据权利要求3所述工业机器人一维运动轨迹测试装置，其特征在于所述法兰盘(5)与机器人本体工作端连接面中部为一带内螺纹通孔的圆形凹槽(7,8)，四周盘面上开有连接通孔(9)，以通过连接件与机器人本体工作端(15)匹配紧固连接，万向转动连接杆(3)则通过杆头上的外螺纹与法兰盘(5)中带内螺纹的通孔匹配相连。
6.根据权利要求1或2所述工业机器人一维运动轨迹测试装置，其特征在于所述直线位移传感器(1)通过前后两固定支架(10)安放在工作平台(12)上。
7.根据权利要求3所述工业机器人一维运动轨迹测试装置，其特征在于所述直线位移传感器(1)通过前后两固定支架(10)安放在工作平台(12)上。
8.根据权利要求4所述工业机器人一维运动轨迹测试装置，其特征在于所述直线位移传感器(1)通过前后两固定支架(10)安放在工作平台(12)上。
9.根据权利要求5所述工业机器人一维运动轨迹测试装置，其特征在于所述直线位移传感器(1)通过前后两固定支架(10)安放在工作平台(12)上。
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