考虑温度影响的机器人关节摩擦模型

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.02.001

摘要/Abstract

摘要： 为描述连续运转下的温度对串联机器人关节摩擦的影响，提出一种考虑温度影响的关节摩擦模型。该摩擦模型可在无需对温度进行测量或估计的前提下描述关节温度变化对关节摩擦的影响。通过实验测量了机器人关节在不同角速度下连续运转时的摩擦力矩，并基于理论模型对数据进行了拟合。实验结果对比验证了该关节摩擦模型的有效性，且该模型能较为准确地描述连续运转下关节摩擦力矩的变化。

关键词: 串联机器人, 机器人关节, 摩擦模型, 关节温度

Abstract: In order to describe the influences of temperature on serial robot joint friction under continuous operations， a joint friction model was proposed considering the influences of temperature. This friction model might describe the effects of joint temperature changes on joint friction without measuring or estimating temperature. Through experiments， the friction torques of the robot joints were measured as the joint operations continuously at different angular velocities， and the data were fitted based on the theoretical model. By comparing the experimental results， the validity of the joint friction model was verified. This model may describe the variation of joint friction torques more accurately under continuous operations.

Key words: , serial robot, robot joint, friction model, joint temperature

中图分类号:

TP242.2

张一楠, 丁建完. 考虑温度影响的机器人关节摩擦模型[J]. 中国机械工程, 2023, 34(02): 127-134.

ZHANG Yinan, DING Jianwan. Friction Model of Robot Joints Considering Influences of Temperature[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(02): 127-134.

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参考文献

［1］STRIBECK R. The Key Qualities of Sliding and Roller Bearings［J］. Zeitschrift des Vereines Seutscher Ingenieure， 1902， 46（38）：1342-1348.
［2］DANKOWICZ H. On the Modeling of Dynamic Friction Phenomena［J］. ZAMM—Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik， 1999， 79（6）：399-409.
［3］LAMPAERT V， AL-BENDER F， SWEVERS J. A Generalized Maxwell-slip Friction Model Appropriate for Control Purposes［C］∥2003 IEEE International Workshop on Workload Characterization. Saint Petersburg， 2003：1170-1177.
［4］CANUDAS D W C， OLSSON H， ASTROM K J， et al. A New Model for Control of Systems with Friction［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 1995， 40（3）：419-425.
［5］SWEVERS J， AL-BENDER F， GANSEMAN C G， et al. An Integrated Friction Model Structure with Improved Presliding Behavior for Accurate Friction Compensation［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2000， 45（4）：675-686.
［6］ANDRE C B， WERNHOLT E， SANDERTAVA-LLAEY S， et al. An Extended Friction Model to Capture Load and Temperature Effects in Robot Joints［C］∥2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Taipei， 2010：6161-6167.
［7］GAO Liming， YUAN Jianjun， HAN Zhedong， et al. A Friction Model with Velocity， Temperature and Load Torque Effects for Collaborative Industrial Robot Joints［C］∥2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Vancouver， 2017：3027-3032.
［8］YAN Qi， LI Rui， MENG Xianghui. Tribo-dynamic Analysis and Motion Control of a Rotating Manipulator Based on the Load and Temperature Dependent Friction Model［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers—Part J：Journal of Engineering Tribology， 2021， 235（7）：1335-1352.
［9］吴晓敏，刘暾东，贺苗，等. 机器人关节摩擦建模与补偿研究［J］. 仪器仪表学报， 2018， 39（10）：44-50.
WU Xiaomin， LIU Tundong， HE Miao， et al. Research on Friction Modeling and Compensation of Robot Manipulator［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument， 2018， 39（10）：44-50.
［10］LORINC M， LINDEN F. Temperature Dependent Friction Estimation：Application to Lubricant Health Monitoring［J］. Mechatronics， 2012， 22（8）：1078-1084.
［11］PAGANI R， PADULA F， LEGNANI G， et al. A Fractional Model of the Friction-temperature Behavior in Robot Joints［C］∥2019 7th International Conference on Control， Mechatronics and Automation（ICCMA）. Delft， 2019：157-161.
［12］CARLSON F B， ROBERTSSON A， JOHANSSON R. Modeling and Identification of Position and Temperature Dependent Friction Phenomena without Temperature Sensing［C］∥2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems（IROS）. Hamburg， 2015：3045-3051.
［13］SIMONI L， BESCHI M， LEGNANI G， et al. On the Inclusion of Temperature in the Friction Model of Industrial Robots［J］. IFAC-PapersOnLine， 2017， 50（1）：3482-3487.
［14］PAGANI R， LEGNANI G， INCERTI G， et al. Evaluation and Modeling of the Friction in Robotic Joints Considering Thermal Effects［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2020， 12（2）：1-31.
［15］温诗铸. 摩擦学原理［M］. 北京：清华大学出版社， 1990.
WEN Shizhu. The Principle of Tribology［M］. Beijing：Tsinghua University Press， 1990.
［16］HAMROCK B J. Fundamentals of Fluid Film Lubrication［M］. New York：McGraw-Hill， 1994.
［17］HARRIS T A. An Analytical Method to Predict Skidding in Thrust-loaded， Angular-contact Ball Bearings［J］. Journal of Tribology， 1971：17-23.
［18］HARRIS T A. Rolling Bearing Analysis［M］. New York：John Wiley and Sons， 1984：378-383.
［19］DOWSON D， HIGGINSON G R. Elasto-hydrodynamic Lubrication， the Fundamentals of Roller and Gear Lubrication［M］. Oxford：Pergamon Press， 1966.
［20］MARTIN K F. A Review of Friction Prediction in Gear Teeth［J］. Wear， 1978， 49（2）：201-238.
［21］HAMROCK B J， JACOBSON B O. Elasto-hydrodynamic Lubrication of Line Contacts［J］. ASLE Transactions， 1981， 27（4）：275-287.
［22］MARQUES F， FLORES P， CLARO J， et al. A Survey and Comparison of Several Friction Force Models for Dynamic Analysis of Multibody Mechanical Systems［J］. Nonlinear Dynamics， 2016， 86（3）：1407-1443.
［23］BAIR S， WINER W O. A Rheological Model for Elasto-hydrodynamic Contacts Based on Primary Laboratory Data［J］. Journal of Tribology， 1979， 101（3）：258-264.
［24］SEETON C J. Viscosity-temperature Correlation for Liquids［J］. Tribology Letters， 2006， 22（1）：67-78.
［25］LEGNANI G， SIMONIS L， BESCHI M， et al. A New Friction Model for Mechanical Transmissions Considering Joint Temperature［C］∥International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. Charlotte， 2016：10.11151DETC2016-60523.
［26］董蓉，窦满峰，刘立群. 不同运行状态下永磁无刷直流电机铜损分析［J］. 微特电机， 2011， 39（7）：29-34.
DONG Rong， DOU Manfeng， LIU Liqun. Copper Loss Analysis of Brushless DC Machines in Different Running State［J］. Small & Special Electrical Machines， 2011， 39（7）：29-34.
［27］涂骁. 基于动力学前馈的工业机器人运动控制关键技术研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2018.
TU Xiao. Research on the Key Technology of Industrial Robot Motion Control Based on Feedforward Dynamics［D］. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology， 2018.

[1]	朱谦, 游东东, 朱权利, . 基于摩擦模型的挤压铸造机压射机构动态配合[J]. 中国机械工程, 2021, 32(12): 1405-1413.
[2]	韦为1,2;耿葵花1,2;耿爱农3;王少伟1;李辛沫3. 基于LuGre模型的转子压缩机滑片-滑槽运动副摩擦力测试[J]. 中国机械工程, 2019, 30(08): 932-938.
[3]	张志刚;余晓霞;郑燕杰;李腾. 同步器摩擦特性建模仿真与试验[J]. 中国机械工程, 2019, 30(07): 825-831.
[4]	王延忠1;郭超1;贾树王1;宁克焱2;兰海2. 基于Stribeck摩擦模型的盘式摩擦副稳定性分析[J]. 中国机械工程, 2017, 28(21): 2521-2525.
[5]	申浩宇, 吴洪涛, 陈柏. 多自由度串联机器人的高效率反向动力学建模方法[J]. 中国机械工程, 2016, 27(01): 20-24.
[6]	侯雨雷, 王嫦美, 胡鑫喆, 曾达幸, 赵永生. 一种关节型串联机器人工作空间边界提取的新方法[J]. 中国机械工程, 2015, 26(3): 308-312,318.
[7]	肖永飞, 王学林, 张福海, 陈铁１, 付宜利. 一种串联机器人的全局参数优化设计方法[J]. 中国机械工程, 2014, 25(16): 2235-2239.
[8]	刘柏希;姚昊雄;聂松辉. 基于区间分析的LuGre摩擦模型参数辨识方法[J]. 中国机械工程, 2013, 24(19): 2647-2651.
[9]	李敏, 王家序, 肖科, 黄超, 徐超. 基于模糊RBF神经网络动态摩擦分块补偿的机器人数字鲁棒滑模控制算法[J]. 中国机械工程, 2012, 23(23): 2792-2796.
[10]	李群松1, 朱, 颖2, 谭海林1, 张继清3. 变摩擦条件下三维接触问题有限元分析改进[J]. 中国机械工程, 2012, 23(16): 1929-1933.
[11]	许宏, 李乐宝, 张怡, 王凌. 变摩擦负载下双电机同步控制系统设计与实验 [J]. 中国机械工程, 2011, 22(24): 2908-2914.
[12]	唐进元, 周炜, 陈思雨. 基于Stribeck摩擦模型的干摩擦滑块接触问题有限元分析 [J]. 中国机械工程, 2010, 21(10): 1218-1221,1259.
[13]	刘柏希;刘宏昭;. 基于LuGre摩擦模型的有杆抽油系统动态特性分析[J]. J4, 2009, 20(18): 0-2259.