CN100458396C - 行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置 - Google Patents

Abstract

行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置，它涉及一种车轮运动性能的测试装置。现有行星探测机器人车的车轮运动性能测试装置只能测试其滚动运动特性，不能同时测试其转向运动特性。本发明的实验土槽(2)与测试台架(1)固接，测试台架(1)上装有拖拽机构(4)和第一带轮(14)，拖拽机构(4)上装有通过同步带(11)与第一带轮(14)连接的第二带轮(16)，同步带(11)与水平移动机构(7)之间固接有连接板(13)，水平移动机构(7)与垂直移动机构(8)动联接，位移传感器(9)与垂直移动机构(8)和水平移动机构(7)连接，垂直移动机构(8)通过转向驱动机构(6)与前进驱动机构(5)连接。本发明既能测试车轮滚动运动的沉陷量、挂钩牵引力、驱动转矩；又能测量车轮转向的沉陷量、转向力矩和侧向力。

Description

行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置

技术领域

本发明涉及一种车轮运动性能的测试装置。

背景技术

行星探测机器人车是深空星球着陆探测的重要装备。由于轮式移动机构运动灵活，质量和功耗比履带式和腿式移动机构都小，运动控制也比腿式移动机构简单，所以目前国外已成功应用的行星探测机器人车均采用轮式移动机构。又由于深空星球超常的温度、辐射、复杂地貌等恶劣环境的限制，行星探测机器人车一般采用金属制车轮，车轮在探测星球土壤上运动时的力学特性对整车的运动特性有着重要影响。因此，需要相应的测试装置首先在地球上的模拟环境下，对车轮在模拟土壤上运动时的力学特性进行测试和分析，据此对车轮在探测星球土壤上运动时的力学特性进行预测和评估，以保证车轮的性能满足机器人车在未来深空环境下运动的要求。目前已公开的文献资料中涉及的该类测试装置都是针对某一特定车轮，只测试其滚动运动的特性，对被测车轮的尺寸、构型等方面的适应性差；另外，不能同时测试车轮转向运动的力学特性。因此，在测试对象适应性和测试功能上都有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置，它可解决现有行星探测机器人车的车轮运动性能测试装置针对的是某一特定车轮，只测试其滚动运动的特性，对被测车轮的尺寸、构型等方面的适应性差；另外，不能同时测试车轮转向运动的力学特性的问题。

本发明包括测试台架、实验土槽和直线导轨；所述实验土槽与测试台架的下端固接，测试台架的上端面固定装有直线导轨；本发明还包括拖拽机构、前进驱动机构、转向驱动机构、水平移动机构、垂直移动机构、位移传感器、同步带、第一带轮、第二带轮、第一砝码、连接板和带轮支撑座；测试台架上端面的左端中间位置上固定装有带轮支撑座，测试台架上端面的右端中间位置上固定装有拖拽机构，所述带轮支撑座上装有第一带轮，所述拖拽机构上装有通过同步带与第一带轮传动连接的第二带轮，所述连接板的上端面与同步带的下侧带固接，连接板的下端面与水平移动机构固接，水平移动机构与直线导轨滑动连接，所述水平移动机构与垂直移动机构动联接，所述位移传感器的上端与水平移动机构连接，位移传感器的下端与垂直移动机构连接，垂直移动机构与所述转向驱动机构连接，转向驱动机构的下端与前进驱动机构的上端连接，所述第一砝码装在垂直移动机构上。

本发明具有以下有益效果：本发明具有很好的适应性，能够满足不同直径、不同宽度、不同构形车轮的测试需要，既能测试车轮在不同滑转率下滚动运动的沉陷量、挂钩牵引力、驱动转矩等力学特性；又能测试车轮转向运动的力学特性；并能够测量车轮同轴转向、可变偏距偏置转向等不同工作情况下转向运动时的沉陷量、转向力矩和侧向力。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图，图2是图1的俯视图，图3是图1的左视图，图4是托拽机构4与第二带轮16装配在一起的主视图，图5是前进驱动机构5的整体结构主视图，图6是图5的左视图，图7是转向驱动机构6的整体结构主视图，图8是水平移动机构7的整体结构主视图，图9是垂直移动机构8的整体结构主视图，图10是实验土槽2的主视图，图11是图10的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式由测试台架1、实验土槽2、直线导轨3、拖拽机构4、前进驱动机构5、转向驱动机构6、水平移动机构7、垂直移动机构8、位移传感器9、同步带11、第一带轮14、第二带轮16、第一砝码12、连接板13和带轮支撑座15组成；所述实验土槽2与测试台架1的下端固接，测试台架1的上端面固定装有直线导轨3；测试台架1上端面的左端中间位置上固定装有带轮支撑座15，测试台架1上端面的右端中间位置上固定装有拖拽机构4，所述带轮支撑座15上装有第一带轮14，所述拖拽机构4上装有通过同步带11与第一带轮14传动连接的第二带轮16，所述连接板13的上端面与同步带11的下侧带11-1固接，连接板13的下端面与水平移动机构7固接，在托拽机构4的驱动下对水平移动机构7起向后拖拽作用，水平移动机构7与直线导轨3滑动连接，所述水平移动机构7与垂直移动机构8动联接，所述位移传感器9的上端与水平移动机构7连接，位移传感器9的下端与垂直移动机构8连接，垂直移动机构8与所述转向驱动机构6连接，转向驱动机构6的下端与前进驱动机构5的上端连接，所述第一砝码12装在垂直移动机构8上。测试前，在实验土槽2内装上土，土质模拟待探测星球上的土质，利用传感器9检测车轮10的垂直移动位移(沉陷量)。

本实施方式中的直线位移传感器9由上海丰林科技有限公司生产，型号为115L-61。

具体实施方式二：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的拖拽机构4由拖拽码盘4-1、拖拽电机4-2和拖拽减速器4-3组成；所述拖拽码盘4-1装在所述拖拽电机4-2上，拖拽电机4-2的输出轴与拖拽减速器4-3的输入轴传动连接，拖拽减速器4-3的输出轴上装有所述第二带轮16，拖拽电机4-2和拖拽减速器4-3与所述测试台架1的上端面固接。托拽机构4通过同步带11对水平移动机构7起向后拖拽作用，调节水平移动机构7的速度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式中的拖拽减速器4-3由上海聚威传动机械有限公司生产，型号为R17-10:1；拖拽码盘4-1由瑞士Faulhaber集团生产，型号为IE2-512。

具体实施方式三：结合图1和图8说明本实施方式，本实施方式的水平移动机构7由上滑板7-3、两个直线轴承7-2和四个滑块7-1组成；所述上滑板7-3固定装在四个滑块7-1上，四个滑块7-1与所述直线导轨3滑动连接，所述两个直线轴承7-2分别装在上滑板7-3的通孔中，所述位移传感器9的上端与上滑板7-3的下端面连接。如此设置，其结构简单，可保证水平移动机构7在直线导轨3上自如滑动。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1、图8和图9说明本实施方式，本实施方式的垂直移动机构8由下滑板8-1、加载板8-3和两个直线光轴8-2组成；所述两个直线光轴8-2的上端分别与加载板8-3的下端面固接，两个直线光轴8-2的下端分别穿过各自所对应的直线轴承7-2的内孔与所述下滑板8-1的上端面固接，所述位移传感器9的下端与下滑板8-1的上端面连接，所述第一砝码12装在加载板8-3的上端面的中心位置，以对待测车轮10施加垂直载荷；垂直移动机构8通过直线光轴8-2装在直线轴承7-2内孔中，作直线运动的水平移动机构7与通过直线光轴8-2作垂直运动的垂直移动机构8构成可动联接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1和图7说明本实施方式，本实施方式的转向驱动机构6由第一码盘6-1、制动器6-2、转向电机6-3、减速器6-4、第一壳体6-5和六轴力/力矩传感器6-6组成；所述第一码盘6-1、制动器6-2和转向电机6-3由上至下依次通过各自的壳体串接在一起，转向电机6-3的输出轴与减速器6-4的输入轴传动连接，减速器6-4的输出轴与六轴力/力矩传感器6-6的上端连接，六轴力/力矩传感器6-6的下端与所述前进驱动机构5连接，减速器6-4固定装在第一壳体6-5内，第一壳体6-5固定在下滑板8-1上。如此设置，当转向驱动机构6驱动前进驱动机构5转动时，能够带动连接在前进驱动机构5上的车轮10转向并检测转向力矩和侧向力，第一壳体6-5起到转向卸荷的作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式中的制动器6-2由日本三木公司生产，型号为112-02-13；第一码盘5-3由瑞士Faulhaber集团生产，型号为IE2-512；六轴力/力矩传感器6-6由美国ATI自动化公司生产，型号为ATIOmega160-SI-1500-240；减速器6-4由中技克美谐波传动有限公司生产，型号为XB3-60-160。

具体实施方式六：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式的前进驱动机构5由第二码盘5-1、前进电机5-2、前进驱动减速器5-3、扭矩传感器5-4、第二壳体5-5、左接口法兰5-6、左支承板5-7、上固定板5-8、右支承板5-9和右接口法兰5-10组成；所述第二码盘5-1的右端与前进电机5-2的左端连接，前进电机5-2的输出轴与前进驱动减速器5-3的输入轴连接，前进驱动减速器5-3的输出轴与扭矩传感器5-4的输入轴连接，扭矩传感器5-4的输出轴穿过左支承板5-7的安装孔与左接口法兰5-6连接，扭矩传感器5-4上装有第二壳体5-5，前进驱动减速器5-3和扭矩传感器5-4的下端分别固定在左支承板5-7的底座5-7-1上，所述右接口法兰5-10与左接口法兰5-6同轴且相对设置，右接口法兰5-10的右端与右支承板5-9的悬臂轴5-9-1连接，左支承板5-7的上端滑座5-7-2和右支承板5-9的上端滑座5-9-2分别装在上固定板5-8的滑槽5-8-1内，左支承板5-7的上端滑座5-7-2和右支承板5-9的上端滑座5-9-2分别通过连接螺钉与上固定板5-8连接，上固定板5-8的上端面与所述六轴力/力矩传感器6-6的下端连接。如此设置，左接口法兰5-6和右接口法兰5-10分别与车轮10连接，左支承板5-7的上端滑座5-7-2和右支承板5-9的上端滑座5-9-2均可以在上固定板5-8的滑槽5-8-1内左右移动，使左支承板5-7和右支承板5-9相向或背向移动，可以调节两个支承板之间的跨距，可满足不同宽度车轮的需要；同向移动左支承板5-7和右支承板5-9，可以调节实验土槽2内土壤对车轮10支撑点相对转向驱动机构6转动中心的偏距；调整后通过连接螺钉将左支承板5-7和右支承板5-9与固定板5-8固定。更换不同形式的接口法兰可以使前进驱动机构5与不同构形的车轮连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式的扭矩传感器5-4由美国cooper公司生产，型号为LXT971；前进驱动减速器5-3由北京中技克美谐波传动有限公司生产，型号为XB3-60-160；第二码盘5-1由瑞士Faulhaber集团生产，型号为IE2-512。

具体实施方式七：结合图1、图10和图11说明本实施方式，本实施方式的实验土槽2由底板2-1、两个长侧板2-2和两个短侧板2-3组成；所述两个长侧板2-2、两个短侧板2-3和底板2-1围成实验土槽2，实验土槽2与测试台架1的下端固接。如此设置，结构简单、容易制作。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理：控制、调节前进电机5-2和拖拽电机4-2的转速，可以实现车轮10在不同滑转率下的滚动运动；扭矩传感器5-4能够测量车轮10滚动时的前进驱动转矩，位移传感器9能够测量车轮10的沉陷量，六轴力/力矩传感器6-6能够测量车轮10前进的挂钩牵引力，第二码盘5-1和托拽码盘4-1分别检测、反馈前进电机5-2和拖拽电机4-2的转速和转动位移；在车轮10滚动运动时，制动器6-2处于制动状态，防止车轮10发生偏转。同向调节左支承板5-7和右支承板5-9在上固定板5-8的滑槽5-8-1内的位置，在转向电机6-3的驱动下可以实现车轮10无偏距转向、不同偏距的偏置转向；位移传感器9能够测量车轮10转向时的沉陷量，六轴力/力矩传感器6-6能够测量车轮10的转向力矩，第一码盘6-1可检测、反馈车轮10的转向速度和转动角，此时制动器6-2处于释放状态。待测车轮10的轴线与上固定板5-8之间留有足够空间可以适应不同直径的车轮；相向或背向调节左支承板5-7和右支承板5-9在上固定板5-8的滑槽5-8-1内的位置，可以调节二者之间的跨距，能够满足不同宽度车轮的测试需要；更换不同的左接口法兰5-6和右接口法兰5-10可以适应不同构形的车轮。

Claims (6)

1、一种行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置，其组成包括测试台架(1)、实验土槽(2)和直线导轨(3)；所述实验土槽(2)与测试台架(1)的下端固接，测试台架(1)的上端面固定装有直线导轨(3)；其特征在于它还包括拖拽机构(4)、前进驱动机构(5)、转向驱动机构(6)、水平移动机构(7)、垂直移动机构(8)、位移传感器(9)、同步带(11)、第一带轮(14)、第二带轮(16)、第一砝码(12)、连接板(13)和带轮支撑座(15)；测试台架(1)上端面的左端中间位置上固定装有带轮支撑座(15)，测试台架(1)上端面的右端中间位置上固定装有拖拽机构(4)，所述带轮支撑座(15)上装有第一带轮(14)，所述拖拽机构(4)上装有通过同步带(11)与第一带轮(14)传动连接的第二带轮(16)，所述连接板(13)的上端面与同步带(11)的下侧带(11-1)固接，连接板(13)的下端面与水平移动机构(7)固接，水平移动机构(7)与直线导轨(3)滑动连接，所述水平移动机构(7)与垂直移动机构(8)动联接，所述位移传感器(9)的上端与水平移动机构(7)连接，位移传感器(9)的下端与垂直移动机构(8)连接，垂直移动机构(8)与所述转向驱动机构(6)连接，转向驱动机构(6)的下端与前进驱动机构(5)的上端连接，所述第一砝码(12)装在垂直移动机构(8)上。

2、根据权利要求1所述的行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置，其特征在于所述拖拽机构(4)由拖拽码盘(4-1)、拖拽电机(4-2)和拖拽减速器(4-3)组成；所述拖拽码盘(4-1)装在所述拖拽电机(4-2)上，拖拽电机(4-2)的输出轴与拖拽减速器(4-3)的输入轴传动连接，拖拽减速器(4-3)的输出轴上装有所述第二带轮(16)，拖拽电机(4-2)和拖拽减速器(4-3)与所述测试台架(1)的上端面固接。

3、根据权利要求1所述的行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置，其特征在于所述水平移动机构(7)由上滑板(7-3)、两个直线轴承(7-2)和四个滑块(7-1)组成；所述上滑板(7-3)固定装在四个滑块(7-1)上，四个滑块(7-1)与所述直线导轨(3)滑动连接，所述两个直线轴承(7-2)分别装在上滑板(7-3)的通孔中，所述位移传感器(9)的上端与上滑板(7-3)的下端面连接。

4、根据权利要求3所述的行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置，其特征在于所述垂直移动机构(8)由下滑板(8-1)、加载板(8-3)和两个直线光轴(8-2)组成；所述两个直线光轴(8-2)的上端分别与加载板(8-3)的下端面固接，两个直线光轴(8-2)的下端分别穿过各自所对应的直线轴承(7-2)的内孔与所述下滑板(8-1)的上端面固接，所述位移传感器(9)的下端与下滑板(8-1)的上端面连接，所述第一砝码(12)装在加载板(8-3)的上端面上。

5、根据权利要求1所述的行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置，其特征在于所述转向驱动机构(6)由第一码盘(6-1)、制动器(6-2)、转向电机(6-3)、减速器(6-4)、第一壳体(6-5)和六轴力/力矩传感器(6-6)组成；所述第一码盘(6-1)、制动器(6-2)和转向电机(6-3)由上至下依次通过各自的壳体串接在一起，转向电机(6-3)的输出轴与减速器(6-4)的输入轴传动连接，减速器(6-4)的输出轴与六轴力/力矩传感器(6-6)的上端连接，六轴力/力矩传感器(6-6)的下端与所述前进驱动机构(5)连接，减速器(6-4)固定装在第一壳体(6-5)内，第一壳体(6-5)固定在下滑板(8-1)上。

6、根据权利要求1所述的行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置，其特征在于所述前进驱动机构(5)由第二码盘(5-1)、前进电机(5-2)、前进驱动减速器(5-3)、扭矩传感器(5-4)、第二壳体(5-5)、左接口法兰(5-6)、左支承板(5-7)、上固定板(5-8)、右支承板(5-9)和右接口法兰(5-10)组成；所述第二码盘(5-1)的右端与前进电机(5-2)的左端连接，前进电机(5-2)的输出轴与前进驱动减速器(5-3)的输入轴连接，前进驱动减速器(5-3)的输出轴与扭矩传感器(5-4)的输入轴连接，扭矩传感器(5-4)的输出轴穿过左支承板(5-7)的安装孔与左接口法兰(5-6)连接，扭矩传感器(5-4)上装有第二壳体(5-5)，前进驱动减速器(5-3)和扭矩传感器(5-4)的下端分别固定在左支承板(5-7)的底座(5-7-1)上，所述右接口法兰(5-10)与左接口法兰(5-6)同轴且相对设置，右接口法兰(5-10)的右端与右支承板(5-9)的悬臂轴(5-9-1)连接，左支承板(5-7)的上端滑座(5-7-2)和右支承板(5-9)的上端滑座(5-9-2)分别装在上固定板(5-8)的滑槽内(5-8-1)，左支承板(5-7)的上端滑座(5-7-2)和右支承板(5-9)的上端滑座(5-9-2)分别与上固定板(5-8)连接，上固定板(5-8)的上端面与所述六轴力/力矩传感器(6-6)的下端连接。

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