CN107030732A - 并/混联机构与机器人性能参数测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机构学与机器人学领域，针对现有测试技术不足，本发明提出一种适用于并/混联机构与机器人的性能参数测试系统，克服现有测试设备参数不稳定、易受环境因素影响等缺陷。该系统包括支撑平台、测试装置、上位机和伺服控制系统，测试装置可拆卸安装在支撑平台上；所述的测试装置包括拉绳编码器、滑轮座、滚动轴承和测试平台，六角平台的各边中间位置分别连接有拉绳编码器，各拉绳编码器的拉绳末端固定于测试平台的边缘处，测试平台与被测机构的末端执行器固定在一起，测试平台随被测机构的末端执行器运动并拉动拉绳编码器的拉绳。本发明通过6个拉绳编码器，在不知机构运动学模型的基础上可以准确绘制被测部件的运动位置以及姿态轨迹。

Description

并/混联机构与机器人性能参数测试系统

技术领域

本发明涉及一种并/混联机构与机器人性能参数测试系统，属于机构学与机器人学领域。

背景技术

并/混联机构与机器人一直以来是机构学与机器人学领域中最为活跃的分支之一。并/混联机构的构型不断被创新，其应用越来越广泛。针对各种构型的并/混联机构，其应用与机构的性能参数密切相关。并/混联机构的性能参数包括末端执行器参考点的运动轨迹、速度和加速度、末端执行器的位置和姿态、工作空间等运动学参数和功率、受力特性等动力学参数。

目前测试并/混联机构运动轨迹的方法主要有三坐标测量仪、激光跟踪仪。三坐标测量仪是将被测物体置于三坐标测量仪的测量空间中，通过探头以很高精度获取被测物体的运动参数，但其测量参数范围受限、易受环境因素影响、价格昂贵。激光跟踪仪是一种高精度、大尺寸的测量仪器，效率高、操作简便，但动态速度受限制、操作温度不易控制且价格昂贵。

申请人经过检索，专利（201110032162.X）公开了一种负载模拟器，通过模拟器本身的运动使与被测机构连杆发生弹性变形来对被测机构施加负载。本发明测试系统属于从动系统，本身不带主动部件，与本发明的测试原理不同。

专利（201410637388.6）公开了一种基于拉绳编码器的串联运动机构参数误差测量装置，该装置仅用到了1个拉绳编码器，不能测出被测机构的实际运动轨迹，且对未知的运动学模型机构不能绘制运动轨迹。针对以上不足，本发明专利公开的并/混联机构的运动学测试方法，采用6个拉绳编码器，在不知机构运动学模型的情形下可以准确绘制被测部件的运动位置以及姿态轨迹，测试性能稳定，适应环境能力强。

发明内容

本发明的目的是：针对现有测试技术不足，提出一种适用于并/混联机构与机器人的性能参数测试系统，克服现有测试设备参数不稳定、易受环境因素影响等缺陷。该系统装置简单、成本较低、测试精度高，能准确绘制被测并/混联机构的运动轨迹以及电机输出力矩，为并/混联机构的构型设计及性能参数的优化提供实验手段。

为达到发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种并/混联机构与机器人性能参数测试系统，该系统包括支撑平台、测试装置、上位机和伺服控制系统，测试装置可拆卸安装在支撑平台上。

所述支撑平台为立柱式钢框架结构，钢框架支撑平台的顶部内侧安装有正六边形六角平台，六角平台底部安装有测试装置，将被测机构同时与测试装置和伺服控制系统连接，伺服控制系统驱动控制被测机构的运动，测试装置将被测机构的直线运动转换为旋转运动并通过测试装置的驱动编码功能将模拟量输出，再将测试装置的模拟量输出通道与上位机连接。

所述的测试装置包括拉绳编码器、滑轮座、滚动轴承和测试平台，所述正六边形六角平台的各边中间位置分别连接有拉绳编码器，测试平台设于六角平台的正下方，各拉绳编码器的拉绳末端通过滑轮座和滚动轴承导向后固定于测试平台的边缘处，测试平台与被测机构的末端执行器固定在一起，测试平台随被测机构的末端执行器运动并拉动拉绳编码器的拉绳。

所述的测试平台为正三角形板状结构，拉绳编码器的拉绳末端相邻两两一组固定于测试平台的顶角处。

所述的伺服控制系统包括电控箱体、伺服驱动器和工控机，伺服驱动器和工控机安装于电控箱体上，上位机、伺服驱动器和工控机通过端子接线板与电控箱体连接，伺服驱动器驱动伺服电机使被测机构运动，电控箱体通过伺服驱动器、上位机分别控制被测机构的运动以及接收拉绳编码器的反馈结果。

所述支撑平台是由方钢管连接组成的钢框架，六角平台固定在钢框架顶部的方钢管上，钢框架的竖向方钢管上连接有两根相互平行的横向角铁梁，横向角铁梁可沿方钢管上下移动调整位置，横向角铁梁上安装有水平方向、用于放置被测机构的钢板。

所述钢框架的竖向方钢管上开有竖向滑槽或设置若干竖向等间隔的螺栓孔，角铁梁通过螺栓安装于滑槽的不同高度处或不同高度的螺栓孔处。

所述钢框架的竖向方钢管的底部安装有带支承座的滑轮组。

一种并/混联机构与机器人性能参数测试方法，基于如权利要求7所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统完成，具体测试步骤如下：

编码器的零点标定：每次运转被测机构之前，必须对各拉绳编码器进行零点标定，通过将测试平台移动到零点位置，初始化各拉绳编码器即可。

连接被测机构：将被测机构的末端执行器与测试系统的测试平台用螺栓连接；并将各拉绳编码器的拉绳末端连接到测试平台上；

运转被测机构并记录参数：打开测试软件，开始周期性采集拉绳编码器返回的脉冲数、伺服驱动器的电机位置以及电机力矩数据，并记录到上位机文本进行保存；重复运转被测机构，使被测机构遍历所有可到达的位置；

换算分析被测机构的运动学即动力学性能：由测试系统输出的运动轨迹集合为被测机构的工作空间，根据运动轨迹与动力学模型计算驱动关节力矩，并将计算所得的驱动关节力矩与实际采集的电机力矩进行对比，进而验证动力学模型的正确性。

本发明采用6个拉绳编码器，在不知机构运动学模型的基础上可以准确绘制被测部件的运动位置以及姿态轨迹，具有如下有益效果：

本发明所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统可对动平台参考点的运动轨迹、位置和姿态、速度加速度、工作空间等运动性能进行测试。同时，本发明通过将6个编码器成正六边形布置，使测试系统呈全对称结构，具有各向同性的良好性能，可有效保证测试精度； 且因间距角度的一致性，方便了测试系统的运动学正解计算。

本发明所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统可对不同构型的动平台进行测试，如图4、5所示的平面构型、空间构型。

本发明所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统尺寸可调，可根据并/混联机构的实际尺寸调节其角铁梁的位置，从而调节放置并/混联机构的钢板的位置。

本发明所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统的工作位置可变，需要改变其工作位置时可通过测试系统底部的滑轮组将其推到下一个工作地点，工作状态时只需把支撑座拧出即可。

附图说明

图1为拉绳编码器正运动学模型图；

图2为测试装置的等效机构图；

图3为测试装置和支撑平台的连接示意图；

图4为伺服控制系统的结构示意图；

图5为测试装置的结构示意图；

图6为空间并联机构测试状态示意图；

图7为平面并联机构测试状态示意图；

图8为本发明的测试原理。

图中标号：1-钢框架，2-六角平台，3-M12×25六角螺丝，4-拉绳编码器，5-M4×20内六角螺钉，6-滑轮座，7-滚动轴承、销轴，8-M5×16内六角螺钉，9-测试平台，10-角铁梁，11-钢板，12-M10×20内六角螺钉，13-滑轮组，14-M12×25六角螺丝，15-M10×20六角螺丝，16-端子接线板，17-M3×15内六角螺钉，18-电控箱体，19- M3×10内六角螺钉，20-伺服驱动器，21-工控机、22-被测机构。

具体实施方案

一种并/混联机构与机器人性能参数测试系统，该系统包括支撑平台、测试装置、上位机和伺服控制系统，测试装置可拆卸安装在支撑平台上；

所述支撑平台为立柱式钢框架结构，钢框架支撑平台的顶部内侧安装有正六边形六角平台2，六角平台2底部安装有测试装置，被测机构同时与测试装置和伺服控制系统连接，伺服控制系统驱动控制被测机构的运动，测试装置将被测机构的直线运动转换为旋转运动并通过测试装置的驱动编码功能将模拟量输出，测试装置的模拟量输出通道与上位机连接。

所述支撑平台的结构如图3所示，是由方钢管连接组成的钢框架1，六角平台2连接在钢框架14顶部的方钢管上，钢框架1的竖向方钢管上活动连接有两根相互平行的横向角铁梁10，角铁梁10上安装有水平方向、用于放置被测机构的钢板11；所述的测试装置的结构如图3所示，包括拉绳编码器4、滑轮座6、滚动轴承7和测试平台9。

其中，钢框架1用于固定六角平台2以及被测机构，所述六角平台2通过六角螺栓3固定于刚框架1顶部，所述拉绳编码器4通过M4×20内六角螺钉5固定于六角平台2的六条边的中点处，滑轮座6安装在拉绳编码器4拉绳的出口处，所述滚动轴承7安装在滑轮座6上，起到对拉绳的导向作用。拉绳编码器4的拉绳端部两两一组固定于所述测试平台9的三个顶点处，测试平台9与被测机构的末端执行器固定在一起，测试平台9随被测机构的末端执行器运动并拉动拉绳编码器4的拉绳。所述角铁梁10用于将所述钢板11固定于钢框架1上。所述钢板11用于放置并固定被测机构。

所述的伺服控制系统如图4所示，包括电控箱体18、伺服驱动器20和工控机21，伺服驱动器20和工控机21安装于电控箱体18上，上位机（编码器系统）、伺服驱动器20和工控机21通过端子接线板16与电控箱体18连接，伺服驱动器20的伺服电机是被测机构的驱动部件，驱动被测机构运动，电控箱体18通过伺服驱动器20、上位机分别控制被测机构的运动以及接收拉绳编码器4的反馈结果。

被测机构通过螺栓固定在支撑平台的钢板11上，将测试系统的测试平台通过螺栓固定于被测机构的末端执行器上。6个拉绳编码器4在六角平台上按照正六边形均布，相邻两个编码器4的拉绳连接于测试平台的一点。其中滚动轴承7安装在拉绳编码器4拉绳的出处，起到对拉绳的导向作用。

伺服电机编码器、伺服驱动器和运动控制器负责控制并/混联机构运动，拉绳编码器4负责采集动平台各点与拉绳编码器4安装位置的距离。

本发明的测试原理如图8所示，电机运动数据通过读伺服电机编码器位置获取、电机力矩通过伺服驱动器将力矩参数通过模拟量输出通道发送给运动控制器模拟量输入通道，然后经过上位机程序读取模拟输入通道数据。测试时，动平台需和被检测机构的移动平台固定，动平台随之运动，同时拉动拉绳编码器的拉绳，拉绳编码器将直线运动转换为旋转运动，并将其参数变化以数字化的形式显示出来。各拉绳长度通过编码器发送给控制器的脉冲个数计算出来，根据各拉绳长度以及拉绳编码器的安装几何位置关系计算动平台上选取的参考点的运动轨迹、速度加速度、动平台的位置和姿态。

拉绳编码器正运动学求解方法：

对于拉绳编码器系统运动学正解求解采用数值解方法，为提高求解速度首先要对非线性方程组采取降维运算。如图1所示，考虑一个三棱锥I-BDE，△BDE为三棱锥的底面，I为三棱锥的顶点。建立连接于三棱锥上的坐标系B-x'y'z'，其中y' 轴沿方向，z' 轴垂直于底面△BDE，而x' 轴方向取决于矢量叉积。三棱锥的4个顶点坐标标示于图1中，设3个棱边的长分别为l _BI , l _DI , l _EI ，由几何关系可以建立如下方程：

(1)

根据方程式(1)可以解算出顶点坐标，再经坐标变换到基坐标系O-xyz下。

将测试装置看成一个三角平台并联机构，其等效机构简图如图2所示。

将该机构看成由三个三棱锥构成，即三棱锥I-BDE、G-IFA和H-BIG。其中A、B、C、D、 E、F六个点为编码器安装点，I、G、H为动平台三个顶点，可通过三个三棱锥计算求得此机构的位置。在三棱锥I-BDE中，B、D、E三点的坐标已知，l _EI ，l _DI 是已知绳长，所以当给定顶点I的坐标时，l _BI 可以根据公式(1)求得。同样，在三棱锥G-IFA中，F、A两点坐标已知，I坐标已求得，因此G点坐标可以计算出，H点坐标可以在三菱锥H-BIG中求得。

这里仅B、I两点的距离d _BI 未知，使用数值法求得d _BI 。由以上分析知：H、C两点距离为d _BI 的函数，根据几何关系可得如下方程：

(2)

方程式(2)仅为关于的一元非线性方程，因此不难用数值法求解。I点坐标求得后再返代回去求得G点和H点的坐标，此时可确定IGH动平台的位置。

轨迹即点在时间轴上的集合，通过将等时间间隔的以上位置姿态在时间轴上连接起来形成轨迹。采集软件每隔一定时间（10ms可设）采集一次拉绳长度，计算一个动平台位姿，将这些点连接起来形成轨迹。

具体的测试方法如下：

编码器的零点标定：每次运转被测机构之前，必须对各拉绳编码器进行零点标定，通过将测试平台移动到零点位置，初始化各拉绳编码器即可。

连接被测机构：将被测机构的末端执行器与测试系统的测试平台用螺栓连接；并将各拉绳编码器的拉绳末端连接到测试平台上。

运转被测机构并记录参数：打开测试软件或手动使被测机构在工作空间内移动，将被测并联机构按照被测试的轨迹进行运动。上位机程序开始以100hz频率周期性采集拉绳编码器返回脉冲数（记录六个编码器位置）、伺服驱动器的电机位置以及电机力矩数据，并记录到上位机文本进行保存；重复运转被测机构，使被测机构遍历所有可到达的位置；

换算分析被测机构的运动学即动力学性能：将返回的数据通过测试系统的位置正解计算被测机构的运动轨迹。由测试系统输出的运动轨迹集合为被测机构的工作空间，根据运动轨迹与动力学模型计算驱动关节力矩，并将计算所得的驱动关节力矩与实际采集的电机力矩进行对比，进而验证动力学模型的正确性。

由运动轨迹及动力学模型求解关节力矩轨迹就是动力学模型本身功能，属于现有技术。动力学模型可以用一组简洁矩阵形式的耦合方程表示（参考[澳]Peter Corke著，《Robotics, Vision and Control》第9章，Springer出版。）

（3）

式中，分别是广义的关节位置、速度和加速度矢量，M是关节空间惯量矩阵，C是科氏力和向心力耦合矩阵，F是摩擦力，G是重力负荷，Q是广义坐标q预定的广义驱动力矢量。最后一项给出了施加在末端执行器上的旋量g所产生的关节力，其中J是机器人的雅克比矩阵。该方程描述的就是机器人的动力学，也被称为逆动力学--给定位姿、速度和加速度，计算所需的关节力或力矩。这些方程可以用任何经典动力学方程推导出来，例如：牛顿第二定律和欧拉运动方程，或者拉格朗日能量法。

最简单的单轴机器人动力学模型：

根据动力学模型方程对实验进行简化。使用单轴旋转模组带动长连杆进行梯形速度曲线运动一周。旋转模组水平放置，因此动力学模型中重力G矩阵等于零。由于末端不带负载，因此最后一项等于0；因只有一个自由度科氏力以及向心力被轴承承载，因此C矩阵项等于0；动力学方程简化为：

(4)

只有摩擦力和惯性矩两项，而惯性矩在此为常量，既杆的转动惯量，尽量增大连杆转动惯量，动力学方程变为：

(5)

式中，M为连杆的转动惯量，f为粘性摩擦系数。

实验方法：

采用单轴旋转模组带动长连杆以梯形加减速规划运动一周。

进行数据采集。

根据采集到各点的运动轨迹，找出匀速段电机力矩，以及匀速V，计算粘性摩擦系数：

(6)

将运动轨迹中各点的速度以及加速度代入以上动力学模型，计算关节力矩Q。

将计算出的关节力矩Q与电机采集到的关节力矩Q′进行对比。如果两条力矩曲线在误差允许内变化，说明此动力学模型正确。

Claims (9)

1.一种并/混联机构与机器人性能参数测试系统，其特征在于：该系统包括支撑平台、测试装置、上位机和伺服控制系统，测试装置可拆卸安装在支撑平台（1）上；所述支撑平台（1）为立柱式钢框架结构，钢框架支撑平台的顶部内侧安装有正六边形六角平台（2），六角平台（2）的底部安装有测试装置，将被测机构同时与测试装置和伺服控制系统连接，伺服控制系统驱动控制被测机构的运动，测试装置将被测机构的位姿变化转换为六条拉绳编码器拉绳的长度变化并通过脉冲方式输出给运动控制器。

2.根据权利要求1所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统，其特征在于：所述的测试装置包括拉绳编码器（4）、滑轮座（6）、滚动轴承（7）和测试平台（9），正六边形六角平台（2）的各边中间位置分别连接有拉绳编码器（4），测试平台（9）设于六角平台（2）的正下方，各拉绳编码器（4）的拉绳末端通过滑轮座（6）和滚动轴承（7）导向后固定于测试平台（9）的边缘处，测试平台（9）与被测机构的末端执行器固定在一起，测试平台（9）随被测机构的末端执行器运动而拉动拉绳编码器（4）的拉绳。

3.根据权利要求2所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统，其特征在于：所述的测试平台（9）为正三角形板状结构，拉绳编码器（4）的拉绳末端相邻两两一组固定于测试平台（9）的顶角处。

4.根据权利要求3所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统，其特征在于：所述的伺服控制系统包括电控箱体（18）、伺服驱动器（20）和工控机（21），伺服驱动器（20）和工控机（21）安装于电控箱体（18）上，上位机、伺服驱动器（20）和工控机（21）通过端子接线板（16）与电控箱体（18）连接，伺服驱动器（20）驱动伺服电机使被测机构运动，电控箱体（18）通过伺服驱动器（20）、上位机分别控制被测机构的运动以及接收拉绳编码器（4）的反馈结果。

5.根据权利要求4所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统，其特征在于：所述支撑平台是由方钢管连接组成的钢框架（1），六角平台（2）连接在钢框架（1）顶部的方钢管上，钢框架（1）的竖向方钢管上活动连接有两根相互平行的横向角铁梁（10），角铁梁（10）上安装有水平方向、用于放置被测机构的钢板（11）。

6.根据权利要求5所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统，其特征在于：所述钢框架（1）的竖向方钢管上开有竖向滑槽或若干竖向等间隔设置的螺栓孔，角铁梁（10）通过螺栓安装于滑槽的不同高度处或不同高度的螺栓孔处。

7.根据权利要求6所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统，其特征在于：所述钢框架（1）的竖向方钢管的底部安装有带支承座的滑轮组（13）。

8.一种并/混联机构与机器人性能参数测试方法，基于如权利要求1-7任一所述的并/混联机构与机器人性能参数测试系统完成，其特征在于具体测试步骤如下：

连接被测机构：将被测机构的末端执行器与测试系统的测试平台（9）用螺栓连接；并将各拉绳编码器（4）的拉绳末端连接到测试平台（9）上；

运转被测机构并记录参数：打开测试软件，开始周期性采集拉绳编码器（4）返回的脉冲数、伺服驱动器（20）的电机位置以及电机力矩数据，并记录到上位机中用文本格式进行保存；重复运转被测机构，使被测机构遍历所有可到达的位置；

换算分析被测机构的运动学及动力学性能：由测试系统输出的运动轨迹集合为被测机构的工作空间，根据运动轨迹与动力学模型计算驱动关节力矩，并将计算所得的驱动关节力矩与实际采集的电机力矩进行对比，进而验证动力学模型的正确性。

9.根据权利要求8所述的并/混联机构与机器人性能参数测试方法，其特征在于：每次运转被测机构之前，必须对各拉绳编码器（4）进行零点标定，通过将测试平台（9）移动到零点位置，初始化各拉绳编码器（4）即可。