CN104897400B - 一种机器人关节减速器试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种机器人关节减速器试验台，其特征是包括驱动电机、被测机器人关节减速器、加载器、输出盘、扭转弹簧、转角装置、角度传感器和控制系统，是以转角装置施加给扭转弹簧初始转角，从而通过输出盘施加给被测减速器扭矩，并以驱动电机带动被测减速器转动，同时利用加载器向被测减速器施加径向力，从而利用传感器和角度传感器分别获取被测减速器的输入和输出试验参数。本发明能模拟出机器人关节减速器的真实工作条件，从而增加实验可靠性，同时降低能耗，并提高自动化控制性能。

Description

一种机器人关节减速器试验台

技术领域

本发明涉及变速器试验技术领域，具体涉及一种机器人关节减速器试验系统。

背景技术

机器人关节减速器作为机器人关键技术之一，具有高刚度、小回差，高承载、结构紧凑、体积小、重量轻、效率高等特性。在工程实际中，由于零部件的制造和安装误差，以及在使用过程中零部件的变形、磨损、基础的下沉等原因，将造成机器人运动的动态不稳定性，动态刚度差，回差无法控制等，难以得到很高的运动精度，产生附加动载荷，引起振动噪声，使机器人的工作情况恶化。在目前的研究中试验是研究该减速器上述特性是主要方式。

机器人关节减速器的试验研究方向主要是刚度、效率、回差、传动误差和寿命等几个方面，试验系统根据试验项目的不同改变不同的形式，并采集相关的输入、输出信号。

现在，国内外针对不同减速器、变速器设计了大量的试验台，然而目前普遍使用的试验台主要有两种：一种是输入电机—扭矩传感器—减速器—扭矩传感器—驱动电机，这种试验台缺点是能耗高，两电机要求转速同步较难控制，自动化程度低；另一种是输入电机—扭矩传感器—减速器—扭矩传感器—磁粉制动器，这种试验台缺点是能耗高，可调节性差，实验项目少，自动化程度低。同时目前存在的减速器试验台共同的特点是输出扭矩恒定，输出轴径向无受力。这与机器人关节减速器实际工作情况相差较大，如用现存的试验台进行试验，不能反映机器人关节减速器的真实运行特性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种机器人关节减速器试验台，以期能模拟出机器人关节减速器的真实工作条件，从而增加实验可靠性，同时降低能耗，并提高自动化控制性能。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种机器人关节减速器的试验台的结构特点包括：驱动电机、传感器、被测机器人关节减速器、加载器、输出盘、扭转弹簧、转角装置、转角盘、角度传感器、支撑架和控制系统；

所述驱动电机通过联轴器与被测减速器的输入端相连；且所述被测减速器的输入端与驱动电机之间安装有传感器；所述被测减速器的输出端通过其上的安装孔与所述输出盘的一侧端面相连；

所述输出盘的另一侧端面通过所述扭转弹簧与所述转角盘相连；且所述输出盘的输出轴末端与所述角度传感器相连；

在所述输出盘的外侧设置有所述固定盘；且在所述固定盘的上方设置有所述加载器；且所述固定盘与加载器相对固定；

在所述转角盘上安装有所述转角装置；且所述转角盘通过轴承安装在所述支撑架上，使得所述转角盘和支撑架之间能相对转动；

所述控制系统分别与所述驱动电机、所述传感器、所述加载器和所述角度传感器相连接；用于获取所述传感器的数据和角度传感器的输出转角，从而控制所述驱动电机和所述加载器的运行；

所述试验台是以所述转角装置施加给扭转弹簧初始转角，从而通过所述输出盘施加给所述被测减速器扭矩，并以所述驱动电机带动所述被测减速器转动，同时利用所述加载器向所述被测减速器施加径向力，从而利用所述传感器和角度传感器分别获取所述被测减速器的输入和输出试验参数。

本发明所述的机器人关节减速器试验台的结构特点也在于：

在所述输出盘与固定盘之间安装了轴承，使得所述输出盘与固定盘可以相对转动。

所述输出盘的输出轴为细轴，且在输出盘的细轴和所述转角盘之间安装有轴承，使得所述转角盘与输出盘能相对转动。

在所述转角装置上安装有锁紧装置并与所述控制系统相连，用于实现对所述转角盘在旋转一定角度后的锁紧，从而保持所述转角盘的旋转角度。

所述转角装置与转角盘的连接处安装有扭矩传感器，用于测量扭矩并传递给所述控制系统；从而利用式(1)计算所述被测减速器的输出扭矩T：

式(1)中，T′表示所测量的扭矩；l表示锁紧前转角装置的受力点到扭矩传感器中心的垂直距离；b表示锁紧装置的中心到扭矩传感器中心的垂直距离；r表示所述扭矩传感器中心到转角盘中心的垂直距离。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在：

1、本发明试验台是针对机器人关节减速器设计的专用试验台，通过扭转弹簧和加载器分别对被测减速器水平和竖直方向加载，成功的反应了机器人关节减速器运行过程中的受力情况，从而能够真实反映该减速器在真实工作条件下负载扭矩随转角变化而改变，输出轴受到较大的径向力，得出的实验数据更接近真实情况，更有利于对机器人关节减速器的研究。

2、一般的试验台加载工具都为大功率电器设备，与之相比，本试验台的加载通过扭转弹簧实现，大大降低了能耗。

3、本试验台的输入、输出、加载以及运行方式都是通过控制系统实现，减少了人工操作，更有利于实现试验台的全自动化控制；从而使得试验过程控制以及所得数据都更准确。

4、本发明通过改变传感器的种类，可以在同一试验台上实现刚度、效率、回差、传动误差和寿命等多个项目的试验，是一台多功能试验台。

5、本发明真实的模拟了机器人关节减速器的工作条件，所得试验数据更接近实际情况，更具有说服力，为减速器的研究提供了跟可靠的实验依据。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的控制系结构统图；

图中序号：1驱动电机；2第一联轴器；3传感器；4第二轴联器；5被测机器人关节减速器；6加载器；7固定盘；8第一轴承；9输出盘；10扭转弹簧；11第二轴承；12转角装置；13锁紧装置；14转角盘；15扭矩传感器；16第三轴承；17角度传感器；18支撑架。

具体实施方式

本实施例中，参见图1，一种机器人关节减速器的试验台，包括：驱动电机1、传感器3、被测机器人关节减速器5、加载器6、输出盘9、扭转弹簧10、转角装置12、转角盘14、角度传感器17、支撑架18和控制系统；

被测减速器5的输入端与驱动电机1之间安装有传感器3，可控转向的驱动电机1通过联轴器2传感器相连，传感器3再通过联轴器4与被测减速器5的输入端相连，传感器3可为不同种类的传感器，以便于测试不同类型的数据，便于多个项目的试验，且被测减速器5的输出端通过其上的安装孔与输出盘9的一侧端面相连；

在输出盘9的外侧设置有固定盘7，且在固定盘7的上方设置有加载器6，且固定盘7与加载器6相对固定，加载器6一端连接固定盘7，另一端与地相连，以实现对输出盘径向加载的功能。本实施例中，加载器6可以是电磁加载器；在输出盘9与固定盘7之间安装了第一轴承8，其安装关系为：轴承8安装在输出盘9的外圆上，固定盘7安装在轴承8的外圆上，从而使得输出盘9与固定盘7可以相对转动。

输出盘9的另一侧端面通过扭转弹簧10与转角盘14相连，其连接方式为：扭转弹簧10一端固定在输出盘9上且中心重合，通过输出盘9上的细轴避免弹簧大幅度变形，扭转弹簧10另一端固定在转角盘14上且中心重合；输出盘9的输出轴为细轴，用于避免扭转弹簧10弯曲，以及便于安装角度传感器16，且在输出盘9的细轴和转角盘14之间安装有轴承16，使得所述转角盘14与输出盘9能相对转动，在转角盘14上安装有转角装置12，转角装置12与转角盘14的连接处安装有扭矩传感器15，用于测量扭矩并传递给控制系统，从而利用式(1)计算所述被测减速器5的输出扭矩T，且转角盘14通过轴承11安装在支撑架18上，使得转角盘14和支撑架18之间能相对转动；

式(1)中，T′表示所测量的扭矩；l表示锁紧前转角装置12的受力点到扭矩传感器15中心的垂直距离；b表示锁紧装置13的中心到扭矩传感器15中心的垂直距离；r表示扭矩传感器15中心到转角盘14中心的垂直距离。

在转角装置12与支撑架18上安装有锁紧装置13并与控制系统相连，用于实现对转角盘14在旋转一定角度后的锁紧，从而保持所述转角盘14的旋转角度。且输出盘9的输出轴末端与角度传感器17相连；本实施例中，角度传感器17可以是圆光栅传感器。

控制系统分别与驱动电机1、传感器3、加载器6和角度传感器17相连接，用于获取传感器3、扭矩传感器15的数据和角度传感器17的输出转角，从而控制驱动电机1、锁紧装置13和加载器6的运行。本试验台是以转角装置12施加给扭转弹簧10初始转角，从而通过输出盘9施加给被测减速器5扭矩，并以驱动电机1带动被测减速器5转动，同时利用加载器6向所述被测减速器5施加径向力，从而利用传感器3和角度传感器17分别获取所述被测减速器5的输入和输出试验参数。

本发明的工作原理说明如下：

机械手在实际工作中以抓取重物瞬间为工作开始时间点，随着机械手的转动，当手臂水平时减速器所受扭矩最大，在然后逐渐减小，当手臂竖直时减速器所受扭矩减小为零，然后逐渐增大，当达到目的地后，机械手按照原路径返回。持重物过程中输出端所受竖直方向力为机械手与重物的重力和，返回过程中输出端所受竖直方向力为机械手自重。

为了试验条件与上述过程相似，如图1所示，通过转角装置12转动转角盘14使输出盘9与转角盘14之间产生一个角度差故扭转弹簧10对输出盘9施加的扭矩为k为弹簧刚度。减速器工作过程中由最大逐渐减为零，最大时对应手臂水平状态，为零时对应手臂竖直状态，然后反向逐渐增大，到达目的位置，这个过程扭矩变化与机器人工作过程扭矩变化相似。转角装置12与转角盘14的接头处安装的扭矩传感器15可读出旋转角度时该点的扭矩值，当扭矩达到设定大小时，控制系统控制锁紧装置将转角装置12锁紧并保持锁紧状态。角度传感器17能够精确的测出输出盘9输出角度，由于机械手是往复运动，有两个极限角度输出盘9分别任意一个极限角度时，控制系统控制驱动电机1改变转向。当输出盘9旋转角度达到时，控制系统控制加载器6施加竖直方向的力大小等于机械手与重物的总重；当输出盘9旋转角度达到时，控制系统控制加载器6施加竖直方向的力大小等于机械手自重。上述试验台成功的模拟了机器人关节减速器的运行情况，可完成的试验包括传动效率试验、传动误差试验及疲劳试验。

在做减速器刚度和回差试验时，驱动电机1和加载器6不工作，将联轴器4锁紧，通过转角装置12转动转角盘14，旋转角度为此时通过扭矩传感器15测出扭矩大小并转换为扭转弹簧10的扭矩大小τ，通过角度传感器测出输出盘转角即可通过公式测出。同样方式，也可完成减速器回差的试验。

Claims (5)

1.一种机器人关节减速器的试验台，其特征包括：驱动电机(1)、传感器(3)、被测机器人关节减速器(5)、加载器(6)、输出盘(9)、扭转弹簧(10)、转角装置(12)、转角盘(14)、角度传感器(17)、支撑架(18)和控制系统；

所述驱动电机(1)通过联轴器与被测减速器(5)的输入端相连；且所述被测减速器(5)的输入端与驱动电机(1)之间安装有传感器(3)；所述被测减速器(5)的输出端通过其上的安装孔与所述输出盘(9)的一侧端面相连；

所述输出盘(9)的另一侧端面通过所述扭转弹簧(10)与所述转角盘(14)相连；且所述输出盘(9)的输出轴末端与所述角度传感器(17)相连；

在所述输出盘(9)的外侧设置有固定盘(7)；且在所述固定盘(7)的上方设置有所述加载器(6)；且所述固定盘(7)与加载器(6)相对固定；

在所述转角盘(14)上安装有所述转角装置(12)；且所述转角盘(14)通过轴承安装在所述支撑架(18)上，使得所述转角盘(14)和支撑架(18)之间能相对转动；

所述控制系统分别与所述驱动电机(1)、所述传感器(3)、所述加载器(6)和所述角度传感器(17)相连接；用于获取所述传感器(3)的数据和角度传感器(17)的输出转角，从而控制所述驱动电机(1)和所述加载器(6)的运行；

所述试验台是以所述转角装置(12)施加给扭转弹簧(10)初始转角，从而通过所述输出盘(9)施加给所述被测减速器(5)扭矩，并以所述驱动电机(1)带动所述被测减速器(5)转动，同时利用所述加载器(6)向所述被测减速器(5)施加径向力，从而利用所述传感器(3)和角度传感器(17)分别获取所述被测减速器(5)的输入和输出试验参数。

2.根据权利要求1所述的机器人关节减速器试验台，其特征是：在所述输出盘(9)与固定盘(7)之间安装了第一轴承(8)，使得所述输出盘(9)与固定盘(7)可以相对转动。

3.根据权利要求1所述的机器人关节减速器试验台，其特征是：所述输出盘(9)的输出轴为细轴，且在输出盘(9)的细轴和所述转角盘(14)之间安装有轴承(16)，使得所述转角盘(14)与输出盘(9)能相对转动。

4.根据权利要求1所述的机器人关节减速器试验台，其特征是：在所述转角装置(12)上安装有锁紧装置(13)并与所述控制系统相连，用于实现对所述转角盘(14)在旋转一定角度后的锁紧，从而保持所述转角盘(14)的旋转角度。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的机器人关节减速器试验台，其特征在于：

所述转角装置(12)与转角盘(14)的连接处安装有扭矩传感器(15)，用于测量扭矩并传递给所述控制系统；从而利用式(1)计算所述被测减速器(5)的输出扭矩T：

式(1)中，T′表示所测量的扭矩；l表示锁紧前转角装置(12)的受力点到扭矩传感器(15)中心的垂直距离；b表示锁紧装置(12)的中心到扭矩传感器(15)中心的垂直距离；r表示所述扭矩传感器(15)中心到转角盘(14)中心的垂直距离。