[发明专利]基于协同测量的机械手传动单元在线故障诊断系统

摘要

本发明公开了一种基于协同测量的机械手传动单元在线故障诊断系统，属于故障诊断领域。该系统包括振动传感器、数据采集中继器、机器人RTU和在线故障诊断子系统。振动传感器采用加速度传感器与陀螺仪采集振动加速度及运动角速度数据，将二者传输至数据采集中继器，对数据进行平滑滤波，通过Wi‑Fi模块传输至机器人RTU。机器人RTU从机器人控制器读取相应关节的运动控制参数，计算机械手各关节的空间姿态数据，再利用卡尔曼滤波算法进行数据融合。在线故障诊断子系统将机械手产品出厂考核与测试阶段采集的机械手各关节初始二维固有振动特征与当前二维固有振动特征对比，作故障诊断。本发明在变速随动机械手故障诊断领域有重要作用。

主权项

一种基于协同测量的机械手传动单元在线故障诊断系统，其特征在于，该在线故障诊断系统包括振动传感器、数据采集中继器、机器人RTU和在线故障诊断子系统；振动传感器为基于MEMS加速度传感器与MEMS陀螺仪开发的，采用CAN总线进行数据传输；振动传感器包括MCU、加速度传感器模块、陀螺仪模块、电源模块、信号调理模块和CAN总线模块，振动传感器固定安装在机械手的各关节处，加速度传感器模块采集三轴的振动加速度数据，陀螺仪模块采集三轴的运动角速度数据，信号调理模块对三轴的振动加速度数据信号和三轴的运动角速度数据信号进行抗混叠滤波，MCU对进行抗混叠滤波得到的信号进行模数转换与数据管理，电源模块完成电压转换与电源管理；振动传感器的个数由机械手自由度数目决定，各振动传感器依次将所采集的数据经由CAN总线模块传输至数据采集中继器；数据采集中继器包括数字信号处理模块、CAN总线模块、电源模块、存储模块、Wi‑Fi模块、RS232和RS485，数据采集中继器安装在机器人的基座处，通过CAN总线模块接收机械手各关节处振动传感器采集的数据，数字信号处理模块对接收的振动加速度数据进行平滑滤波处理，电源模块完成电压转换与电源管理，将振动传感器采集到的原始数据和处理后的振动加速度数据保存至存储模块，并通过Wi‑Fi模块传输至机器人RTU，RS232用作配置接口，RS485用于在线调试；机器人RTU为机器人物联网数据采集单元，承载机械手各关节的振动传感器数据及运动控制参数的实时协同采集任务；机器人RTU包括MCU、以太网模块、电源模块、存储模块、Wi‑Fi模块、RS232和RS485，机器人RTU安装在机器人控制柜中，与数据采集中继器组建无线网络通讯，采用工业以太网与机器人控制柜中的机器人控制器连接，机器人RTU通过Wi‑Fi模块依次接收机械手各关节的振动传感器数据，并同步从机器人控制器读取相应关节的运动控制参数；利用陀螺仪和加速度传感器的定位算法获得机械手各关节的空间姿态数据，再利用卡尔曼滤波算法对空间姿态数据及运动控制参数中的姿态控制参数进行数据融合；将振动加速度数据、融合处理后的空间姿态数据以及其他的运动控制参数保存至存储模块，并经由以太网模块传输至PC上位机的在线故障诊断子系统；RS232用作配置接口，RS485用于在线调试，电源模块完成电压转换与电源管理；在线故障诊断子系统包括数据库、协同测量数据获取单元、数据预处理单元、数据特征提取单元、故障诊断单元和预警报警单元，协同测量数据获取单元利用空间姿态数据修正振动加速度数据，将振动加速度数据由随动坐标系变换至参考坐标系下；数据特征提取单元从预处理后的振动加速度数据中提取其时频域特征信息，获得与机械手运动速度参数相关联的时频域特征信息，将与机械手运动速度参数相关联的时频域特征信息称为二维固有振动特征；故障诊断单元将本时间窗内各关节的二维固有振动特征与出厂考核及测试阶段所采集的机械手各关节二维固有振动特征作分析比对，根据对差异阈值、变化趋势阈值、持续时间、特征频带等特征参数的综合分析，作出诊断；预警报警单元依据诊断结果通过上位机发出预警或报警信息。