第４５卷 ２０１７年１０月 云南电力技术 Ｖｏ１．４５ ＮＯ．５ Ｏｃｔ．２０ｌ７ ＹＵＮＮＡＮ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｐ０ＷＥＲ 机械臂末端在不同位姿下的振动研究 耿磊昭 ，刘荣海 ， 唐发庆 ，万书亭 （１、华北电力大学机械工程系，河北保定０７１００３；２、 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明６５０２１７） 摘要：基于一种管道机器人的机械臂，利用压电式加速度传感器测量其机械臂不同位置处的振动情况，以及机械臂处 于不同位姿越障时其末端的振动情况。首先利用ＡＮＳＹＳ软件建立机械臂的模型，通过有限元理论分析了机械臂在不同 位姿下的振动情况；其次建立实验平台，通过加速度传感器测量机械臂的振动加速度。最后得出管道机器人机械臂末 端在不同位姿状态下越障时的具体振动情况和规律。针对管道机器人在管体内的运动情况，为操作人员提供实用的操 作意见，改变机械臂的位姿使机器人在运动过程中更好的抑制机械臂末端的振动，从而更稳定清晰的观察机械臂末端 监测到的画面，提高机器人的使用寿命。 关键词：机械臂；振动；加速度传感器；有限元 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｎｄ ｏｆ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ａｔ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ＧＥＮＧ Ｌｅｉｚｈａｏ ，ＬＩＵ Ｒｏｎｇｈａｉ ，ＴＡＮＧ Ｆａｑｉｎｇ ，ＷＡＮ Ｓｈｕｔｉｎｇ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙｕｎｎａｎ Ｐｏｗｅｒ Ｇｒｉｄ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０２１７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｒｍ ｏｆ ａ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｒｏｂｏｔ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ｏｂｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅ ｍａｎｉｐｕｌｔａｔｏｒ ｂｙ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌａｗ ｏｆ ｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｔｈｅ ｒｏｂｏｔｉｃ ａｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｒｏｂｏｔ ｉｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｒｏｂｏｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｂｏｄｙ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｄｖｉｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ．Ｃｈａｎｇｉｎｇ ｈｅ ｐｏｓｉｔｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｂｅ￣ｅｒ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｈｅ ｍａｎｉｔｐｕｌａｔｏｒ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｈｅ ｓｃｒｅｅｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｃｌｅａｒ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆｔｈｅ ｒｏｂｏｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ 中图分类号：ＴＨ１１３．１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００６—７３４５（２０１７）０５—００５２—０４ ０前言 要 ”。本文将基于一种管道机器人的机械臂， 从有限元理论分析和利用压电式加速度传感器 随着机械装置高速化、轻型化、精密化的 测量振动的实验验证两方面来研究不同位姿下 发展，为了最大限度的减轻装置的质量以及满 其末端的振动情况。 足机械装置的长度，许多场合中必须用到柔性 １ 理论分析 机械臂。但是由于柔性机械臂的刚度比较小， 所以柔性机械臂在作业过程中将产生比较大的 变形和振动，尤其是在柔性机械臂移动过程中 其末端会产生比较大的振动。这将会给机械臂 的定位和运动控制带来一定的难度，因此建立 柔性机械臂的数学模型，分析其振动原因，找 出抑制柔性臂末端机械振动的方法变得十分重 ５２ １．１ 概述 有限元分析是使用有限元方法来分析静态 或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中 个物体或系统被分解为由多个相互联结的、 简单、独立的点组成的几何模型。在这种方法 一中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为 第４５卷 机械臂末端在不同位姿下的振动研究 １．４分析结果 ２０１ ７年第５期 有限元。而ＡＮＳＹＳ软件是一款通用的大型的有 限元分析软件，在其结构分析功能方面，主要 将机械臂底座进行全方位位移约束，对整 包括静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态 动力学分析等类型。本文主要通过有限元软件 来对机械臂进行相应的模态分析。 １．２模态分析 模态分析是振动特性分析的核心，主要应 用于复杂结构的多自由度系统，也是研究结构 动力学中一种极为重要的分析方法。利用模态 分析确定机械臂的振动特性，即固有频率和振 型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参 数，也是其他动力学分析问题的起点［２－４］。 模态分析就是分析系统结构的各阶固有频 率和振型，从而为结构设计提供指导系统受激 励，作强迫振动时，若激励的频率接近于系统 固有频率时，强迫振动的振幅可能达到非常大 的值，这种现象叫共振。一个系统有无数个固 有频率，一般情况下只需研究低范围的系统频 率，一个系统一般有多个共振频率，在这些频 率上比较容易引起振动，而在其它频率上振动 则比较困难［５】。本文通过模态分析得出机械臂 的振型图，来比较管道机器人机械臂在不同位 姿状态下的振动规律。 １．３建立模型 首先通过ＡＮＳＹＳ软件建立单柔性机械臂的 简化模型，分别对处于水平、倾斜３０度和６０ 度四种位姿状态下的机械臂建立模型，并对各 个位姿状态下的机械臂进行模态分析。单柔性 机械臂的材质为铝，长度为５０ ｃｍ，臂直径为 ３ ｃｍ。机械臂的材料属性如表１所示。 表１材料属性 利用ｐｒｏｅ软件建立的三种位姿模型如图１ 所示。 图１机械臂三种位姿模型图 个机械臂进行模态分析求解，得出机械臂在不 同位姿状态下的模态振型图。如图２、３所示为 水平位姿机械臂的前二阶模态振型图，表格２ 为三种不同位姿机械臂前二阶振型具体的主最 大位移。 ＡＮＳＹＳ ｌ ．“ｌＩ．． 图２水平位姿机械臂模型一阶振型图 图３水平位姿机械臂模型二阶振型图 表２不同位姿下机械臂前两阶振型主最大位移 通过表格２可以得出不同位姿状态下，机 械臂的最大主位移不同，机械臂在水平位姿下 其振动最大，当机械臂向上倾斜时，随着倾斜 角度的增大，其最大主位移也增大。 从机械臂模型的模态振型图可以看出，机 械臂的振动主位移集中在机械臂的末端，说明 当机械臂在运动过程中，机械臂的末端位置振 动最大。通过表格２中具体的最大主位移可以 得出结论是：机械臂振动最大的位置位于机械 臂的末端，机械臂水平位姿下的振动最大，且 随着机械臂抬高的高度越高，机械臂末端的振 动越大。 ５３ ２０１ ７年第５期 云南电力技术 第４５卷 ２实验验证 ２．１ 压电式加速传感器 利用ＭＡＴＬＡＢ对测得加速度进行时域积分 处理 加】，得到管道机器人机械臂末端和关节处 的位移一时间曲线。如下图５所示，管道机器人 压电式加速度传感器又称压电加速度计。 机械臂分别处于水平位姿、角度２位姿、角度１ 它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如 位姿状态时，测得的实验结果。 石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质 量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测 振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力 的变化与被测加速度成正比［６］。常用的压电式 加速度计的原理图如图４所示。 图４压电加速度传感器原理图 实际测量时，将图４中的支座与待测物刚 性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待 测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块 与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的 两个表面上产生交变电压。当振动频率远低于 传感器的固有频率时，传感器的输出电压与作 用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可 由一般测量仪器测试出电压大小，从而得出物 体的加速度。 ２．２实验过程 ２．２．１ 测量机械臂不同位置处振动 本实验采用的加速度传感器型号为 ＣＴ２０００Ｔ，量程为２．５ｇ。管道机器人的主臂长 度为４０ ｃｍ，直径为５ ｃｍ；副臂长度为４０ ｃｍ， 直径为３ ｃｍ。实验过程中将加速度传感器分别 粘贴在管道机器人机械臂的末端位置和关节处。 加速度传感器可以分别测量机械臂末端和关节 处水平方向的振动数据。 设置采集频率为１００ Ｈｚ，驱动机器人在同 一路面平稳向前运动１０秒，使机器人的机械臂 处于水平、角度１、角度２三种位姿状态，分别 在三种位姿状态下，测量机械臂末端位置和关 节处的加速度数据。如图５所示为管道机器人 机械臂的三种位姿状态图。其中角度１位姿的 机械臂末端距离地面９０ ｃｍ，角度２位姿的机械 臂末端距离地面５０ ｃｍ。 ２．２．２实验ｌ结果 ５４ 图５ 三种位姿机械臂末端和关节处振动位移一时间曲线 通过对比图５的位移一时间曲线，可以得出 管道机器人在运动过程中，机械臂各个位置的 振动情况不同，且机械臂的末端位置振动比较 大。 ２．２．３测量不同位置下机械臂末端振动 本实验仍采用加速度传感器ＣＴ２０００Ｔ，实 验过程中将加速度传感器粘贴在管道机器人机 械臂的末端位置，管道机器人的副臂在主臂分 别处于水平，向上抬高３０度和６０度三种状态 下，副臂以两种方式绕关节轴旋转不同的角度， 分别用加速传感器测量机械臂末端的振动情况。 其中，方式１：副臂绕主臂在沿竖直平面旋转， 加速度传感器测量末端水平方向加速度数据； 方式２：副臂绕主臂沿水平平面旋转，加速度传 感器测量末端竖直方向加速度数据。 同样设置采集频率为１ ００ Ｈｚ，驱动机器人 在同一路面向前运动２０秒并跨越障碍物，管 道机器人车轮直径为３．５ ｃｍ，障碍物高度为４ ｍｍ。使机器人的机械臂分别处于上述不同的位 姿状态，并测量机械臂末端在不同位姿状态下 的加速度数据。 ２．２．４实验结果 利用ＭＡＴＬＡＢ对测得加速度进行时域积分 处理，得到副臂分别在主臂水平，抬高３０度和 ６０度状态下，绕主臂以两种不同方式旋转３０、 ６Ｏ、９０、１２０、１５０、１８０度，机械臂末端的位移． ２０１７年第５期 机械臂末端在不同位姿下的振动研究 第４５卷 时间曲线图。如图６所示为副臂以两种不同方 实验中的管道机器人主要应用于电力设备 式绕主臂旋转，其末端在不同位姿下振动位移 ＧＩＳ，通过机械臂末端安装的摄像头对管体内部 差值的规律曲线，并且给出了机械臂末端在主 进行监测与勘察。针对管道机器人在管体内的 副臂不同位姿下的具体振动位移结果。 运动情况，论文结论可以为操作人员提供实用 的操作意见。 基于管道机器人的现场应用，当机器人跨 ｛………一 ………一 …０……． ……士 ¨．……．： ｊ ｊ Ｉ Ｉ１ ； … 越障碍时，可以适当的降低机械臂的抬高高度， 收缩副臂，使整个机械臂的伸展幅度尽量小， 尽量不要使机械臂的末端位置处于最高位置。 改变机械臂的位姿使机器人在运动过程中更好 的抑制机械臂末端的振动，从而更稳定清晰的 观察机械臂末端监测到的画面，提高机器人的 使用寿命。 参考文献 ：ｔ 图６机械臂末端的振动位移差值一位姿规律曲线图 通过图６所示不同位姿下机械臂末端的位 王华坤，张世琪．组合柔性机械臂变形及滞迟特性分析 Ⅲ 张庆，嘲 ｆＪ１．机械设计，２００５，２２（Ｏ５）：１２．１４． 移差值及实验数据得出，随着机械臂副臂的旋 转，机械臂末端伸展的程度越大，其末端振动 趋势变大，当机械臂全部伸展时，其水平方向 的振动最大。 杨峰．机器人机械臂模态分析及可靠性分析【Ｄ】．南京：南京 理工大学．２０１３． 李健，姜振廷，董旭．基于ＡＮＳＹＳ ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ的带 电作业机械臂模态分析及振动控制［Ｊ】．制造业自动 化，２０１４，３６（０１）：４８—５１＋６５． 翟少磊，曹敏，彭蓉．振动计量自动检定系统研究［Ｊ］．云南电力 ３结束语 通过在有限元软件中建立单个柔性臂的模 技术，２０１２，４０（０３）：４８—５０． 型，在其底座位置施加全位移约束，对不同倾 斜角度的臂进行模态分析，针对得出的模态分 析的结果和推论进行相应的实验。基于一种管 王宇，刘凯，林永龙．ＡＮＳＹＳ软件在结构模态分析中的应用［Ｊ］． 机电工程技术，２０１３，４２（０９）：３８—４０． 曹丽曼．压电式加速度传感器振动测量应用研究［Ｊ】．自动化与 仪器仪表，２０１５，Ｏ７（３）：１６４．１６６． 陈培永，王彤．动态加速度信号的时频域积分方法［Ｊ］．江苏航 空，２０１１，Ｓ１：７３．７６． 道机器人的机械臂，利用加速度传感器测量了 其在运动过程中，机械臂不同位置处的振动情 况；并测量了机器人在不同位姿下越障时其机 陈为真，汪秉文，胡晓娅．基于时域积分的加速度信号处理［Ｊ］＿ 华中科技大学学报（自然科学版），２０１０，３８（０１）：１．４． 刘继承，徐庆华，查建新．用加速度传感器测量振动位移的方 法［Ｊ］．现代雷达，２００７，２９（０５）：６９－７１． 景翔．基于均方差和夹角余弦的水电机组振动诊断［Ｊ］＿云南 械臂末端的振动情况。通过综合整理柔性臂模 电力技术，２０１３，４１（０１）：７０－７１． 态分析结果和管道机器人机械臂振动的实验结 果得出两点结论：针对一般的柔性机械臂， 收稿日期：２０１７－０２．１０ １）柔性机械臂振动最大的位置位于机械臂 作者简介： 的末端。 ２）柔性机械臂末端在不同的位姿状态下振 动情况不同，机械臂水平位姿状态下振动最大， 且机械臂抬得越高，其末端的振动趋势越大。 耿磊昭（１９９２），男，硕士，华北电力大学，从事状态监测 与故障诊断、无损检测工作（ｅ—ｍａｉｌ）１Ｏ９６３０８２９２＠ｑｑ．ｔｏｍ。 刘荣海，男，工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究 院．主要从事电厂重要部件失效分析工作。 唐发庆。男，硕士，华北电力大学，从事状态监测与故障诊 断、无损检测工作。 ５５