多关节机械手臂振动分析及检测方法

摘 要：本文以多关节机械手臂为例首先分析其运动规律，构建了耦合动力学模型并以此为基础将机械手臂作为一个系统推导出其固有频率表达式，分析与固有频率相关参数。其次，提出使用反馈方法来检测手臂关节电机处的振幅和频率，设计了硬件检测电路原理图。最后，绘制实际振幅波形图，分析振动规律，为下一步如何消除或者抑制振动奠定基础。

关键词：多关节机械手；振动；动态特性

0 引言

随着智能装备的不断发展，越来越多的企业机械手臂的使用，机械手臂不仅效率高，而且国产化的不断发展也使其成本在逐步降低。但是机械手臂的振动问题一直以来没有很好的解决，当机械手臂在某时刻的固有频率和激励源频率相同或相近时，手臂的振动不断放大，严重影响机械手的定位。

1 机械手臂模型分析

如图1所示为机械手臂简化图，机械手由三条手臂构成，分别为臂1、臂2、臂3，每个手臂之间通过电机转动连接，臂1为最末端关节，上面安装手爪来抓取物品。

通常对多关节机械手臂的抑制方法有以下几种：结构优化设计、反馈控制、输入指令等。哈尔滨工业大学的刘延杰在《硅片传输机器人手臂结构优化设计方法》（机械工程学报）对机构优化设计有较深入的研究。本文着重从反馈控制研究对机械手臂振动的方法。

J为转动惯量矩阵，τ为广义力矩矢量。

2 动态特性分析

将整个机械手臂作为一个整体系统研究，固有频率为系统的固有属性，对多关节机械手臂的动力学模型分析并根据公式1，得出固有频率公式：

ω为系统的固有频率，A为模态振动矢量。由于机械手臂在运动中的位置始终变化，其质量矩阵为时变矩阵，所以系统的固有频率随机械手臂的位置变化而变化，其值非定值。

3 机械手臂振动检测

（1）检测硬件原理图

使用msp430系列单片机相应速度快，处理能力强，性价比高，故选择型号2553作为核心处理芯片，以压力传感器作为振幅检测元件，构建硬件检测电路，系统原理图如图2所示，传感器的检测数据通过AD574转换为数字量传输给单片机处理，单片机对数据滤波及分析后将结果传输给上位机。

（2）检测结果

振幅传感器安装在关节处的电机上，构成半闭环控制方式。通过实验得到振动数据，通过数据绘制其时域振动波形图。

通过检测振幅的变化来调整机械手的运动规律，使其振动避开固有频率，保证机械手安全运行。

4 结语

以多关节机械手臂为模型，建立动力学公式，进一步求出系统固有频率表达式。利用MSP430单片机及振幅传感器为核心元件构建硬件检测电路，测得关节处电极的振动规律并将振动数据传输给上位机控制中心，为下一步的抑制振动奠定基础。

参考文献：

[1]赵童.结构振动的时滞鲁棒控制及其实验研究[D].上海，2014.

[2]李茂涛.驱动力矩受限下双臂空间机器人轨迹跟踪控制[J].力学与实践，2014（06）.

基金项目：江苏省科技支撑计划《双臂机器人本体结构与关键功能部件研制》，基金号：BE2013003-2