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多關節機械手臂振動分析及檢測方法
關節式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動形式。它像人手一樣有肘關節，可實現多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。早在20世紀40年代，關節式機械手就在原子能工業中得到應用，隨后又應用于開發海洋，有一定的發展前途。
摘要：本文以多關節機械手臂為例首先分析其運動規律，構建了耦合動力學模型并以此為基礎將機械手臂作為一個系統推導出其固有頻率表達式，分析與固有頻率相關參數。其次，提出使用反饋方法來檢測手臂關節電機處的振幅和頻率，設計了硬件檢測電路原理圖。最后，繪制實際振幅波形圖，分析振動規律，為下一步如何消除或者抑制振動奠定基礎。
關鍵詞：多關節機械手;動態特性;振動
引言
隨著智能裝備的不斷發展，越來越多的企業機械手臂的使用，機械手臂不僅效率高，而且國產化的不斷發展也使其成本在逐步降低。但是機械手臂的振動問題一直以來沒有很好的解決，當機械手臂在某時刻的固有頻率和激勵源頻率相同或相近時，手臂的振動不斷放大，嚴重影響機械手的定位。
一、機械手臂模型分析
如圖1所示為機械手臂簡化圖，機械手由三條手臂構成，分別為臂1、臂2、臂3，每個手臂之間通過電機轉動連接，臂1為最末端關節，上面安裝手爪來抓取物品。
通常對多關節機械手臂的抑制方法有以下幾種：結構優化設計、反饋控制、輸入指令等。哈爾濱工業大學的劉延杰在《硅片傳輸機器人手臂結構優化設計方法》(機械工程學報)對機構優化設計有較深入的研究。本文著重從反饋控制研究對機械手臂振動的方法。
J為轉動慣量矩陣，τ為廣義力矩矢量。
二、動態特性分析
將整個機械手臂作為一個整體系統研究，固有頻率為系統的固有屬性，對多關節機械手臂的動力學模型分析并根據公式1，得出固有頻率公式：
ω為系統的固有頻率，A為模態振動矢量。由于機械手臂在運動中的位置始終變化，其質量矩陣為時變矩陣，所以系統的固有頻率隨機械手臂的位置變化而變化，其值非定值。
三、機械手臂振動檢測
(1)檢測硬件原理圖
使用msp430系列單片機相應速度快，處理能力強，性價比高，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，構建硬件檢測電路，系統原理圖如圖2所示，傳感器的檢測數據通過AD574轉換為數字量傳輸給單片機處理，單片機對數據濾波及分析后將結果傳輸給上位機。
(2)檢測結果
振幅傳感器安裝在關節處的電機上，構成半閉環控制方式。通過實驗得到振動數據，通過數據繪制其時域振動波形圖。
通過檢測振幅的變化來調整機械手的運動規律，使其振動避開固有頻率，保證機械手安全運行。
四、結語
以多關節機械手臂為模型，建立動力學公式，進一步求出系統固有頻率表達式。利用MSP430單片機及振幅傳感器為核心元件構建硬件檢測電路，測得關節處電極的振動規律并將振動數據傳輸給上位機控制中心，為下一步的抑制振動奠定基礎。
參考文獻：
[1]趙童.結構振動的時滯魯棒控制及其實驗研究[D].上海，2014.
[2]李茂濤.驅動力矩受限下雙臂空間機器人軌跡跟蹤控制[J].力學與實踐，2014(06).
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