[發明專利]一種面向工業機器人機械傳動部件健康監測的關節動作劃分方法

有效

• 申請號: 202210499683.4
• 申請日: 2022-05-09
• 公開（公告）號: CN114700988B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 雷亞國;趙軍;李乃鵬;曹軍義;李響;楊彬
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種面向工業機器人機械傳動部件健康監測的關節動作劃分方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)獲取特定作業任務的工業機器人不同關節動作的運行時長；

2)多物理源信號聯動獲取每個關節動作對應的振動信號區間；

3)計算每個關節動作對應的退化指標實現工業機器人機械傳動部件的健康監測。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟1)具體過程為：初期根據工業機器人特定作業任務需求，在布置軌跡規劃算法時通過內部信號確定每種關節動作的運行時長，假設有p種關節動作，獲得運行時長集合為T＝(t₁,...,t_i,...,t_p)。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步驟2)具體過程為：當工業機器人發生關節動作切換時，即從一個關節動作切換到另一個關節動作，布置在工業機器人上的外部振動傳感器所采集的振動信號波形必然會發生跳變，通過獲取振動信號中的顯著跳變點來定位不同的關節動作對應的信號區間，流程如下：

2.1)對采集的振動信號進行降采樣：

降采樣基本流程如下：

2.1.1)將采集的振動信號y_1:n＝(y₁,...,y_n)用l_win長度的窗口去切分，獲得段信號，且每段信號表示為其中n為采集的振動信號總長度；

2.1.2)計算每個信號段的均方根值作為降采樣后的信號：其中，表示窗口切分后第k段采集的振動信號，m表示窗口切分后采集的振動信號的總段數，表示第k個降采樣信號點取值，l_win表示降采樣使用的窗口長度；

2.2)采用跳變點識別算法獲取跳變點集合：

當工業機器人產生單次關節動作切換時，降采樣信號中便會出現單個跳變點且滿足下式表達：

其中，式(1)中的函數S(·)為表征信號統計屬性的損失函數，式(2)為函數S(·)的典型計算方法，表示降采樣信號區間，同理表示降采樣信號區間，表示降采樣信號區間；

當工業機器人產生多個關節動作切換時，即降采樣信號中有w個跳變點并且他們的位置分別是τ_1:w＝(τ₁,...τ_i,...,τ_w)，其中τ_i∈[1,m-1],τ₀＝0,τ_w+1＝m，將降采樣信號分成w+1段，第i段表示根據對單一跳變點的分析同理可得，多跳變點的目標損失函數為：

其中，F(m)表示降采樣信號區間存在τ∈{τ:0＝τ₀,...,τ_w+1＝m}多跳變點時的目標函數，表示降采樣信號區間，表示目標函數最小化時對應的最優跳變點位置集合τ∈{τ:0＝τ₀,...,τ_w+1＝m}，τ_i,τ_i-1分別表示第i-1和第i個跳變點在降采樣信號中的位置，w表示跳變點總個數，m表示降采樣信號總長度，β為懲罰系數；

對多跳變點目標損失函數做進一步變換如下：

其中，表示降采樣信號區間；

因此通過依次遞增t，t∈{1,2,...,m}通過優化下式獲得新的跳變點：

其中，τ′表示對于信號段內最優跳變點，τ′＝{τ′₁，...，τ′_c}即為求解的跳變點位置集合，下標c表示最終獲取的跳變點集合中元素總個數,τ′_c＜m；

2.3)結合關節電流信號和關節動作切換時采集的振動信號幅值跳變趨勢確定最終跳變點作為關節動作的起始點：

對前期獲取的跳變點集合中的每一個跳變點進行遍歷，依次判斷某關節電流信號在此跳變點附近一定范圍內是否存在并且該處采集的振動信號是否符合該關節動作變換時的單調性規律，流程如下：

2.3.1)首先將根據降采樣信號獲得的跳變點位置轉換到對應采集的振動信號中：

τ″＝{τ″₁，...，τ″_c},τ″_i＝τ′_i·l_win (7)其中，τ′_i表示基于降采樣信號獲取的第i個跳變點位置，l_win表示降采樣使用的窗口長度，τ″_i表示在采集的振動信號中第i個跳變點位置；

2.3.2)判斷電流信號z_1:n＝(z₁,...,z_n)在跳變點±δ范圍內均值是否存在并且跳變點處信號趨勢性是否符合：

其中，rms(·)表示均方根函數，pp(·)表示峰峰值函數，表示最終符合要求的跳變點集合，表示最終符合要求的第i個跳變點；

2.4)根據每一關節動作的運行時長和起始跳變點位置確定其相應的信號區間：

獲取到最終符合要求的跳變點集合即獲得了關節動作切換的起始點位置信息，則每一關節動作對應的采集的振動信號區間為：

其中表示第i次采樣第i個關節動作對應的采集的振動信號區間，Ω表示i個關節動作對應的采集的振動信號區間索引，f_s表示采樣頻率，表示最終符合要求的第1個跳變點，t_i表示表示i個關節動作時長。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步驟3)具體過程為：3.1)對上述步驟獲取的每個關節動作對應的采集的振動信號區間分別提取退化指標：

其中，式(10)中的表示從第i次采樣第i關節動作對應的采集的振動信號區間提取的退化指標值，f(·)表示退化指標提取函數，式(11)和(12)為使用的兩種提取函數，其中rms(·)為均方根函數，FFT(·)為快速傅里葉變換函數，表示經過快速傅里葉變換得到的的頻譜中第k條譜線的幅值，k＝1,2,...,K，K為總譜線數，f_k是第k條譜線的頻率值；

3.2)經過N次采樣后，獲得每個關節動作退化指標序列，利用控制圖法對其進行監測，進而實現機器人機械傳動部件的健康監測,其中控制圖法的上下監測邊界計算如下：

其中，表示前α次采樣第i關節動作得到退化指標序列UCLⁱ表示第i關節動作的監測上邊界，LCLⁱ表示第i關節動作的監測下邊界，前α次采樣第i關節動作得到退化指標序列的平均值，前α次采樣第i關節動作得到退化指標序列的標準差。