CN107167303A - 施力器测试实验台 - Google Patents

Abstract

一种施力器测试实验台，属于康复健身设备测试检测领域，其特征在于是一种施力器静动态性能测试的实验台。本实验台主要由输出装置控制器、施力器控制器、测量中心、转矩输出装置、辅助连接模拟装置和施力器本体组成。转矩输出装置可输出大小、方向完全可控的转矩，用于模拟人对施力器施加的转矩。辅助连接模拟装置通过改变其弹性模量、转动惯量和摩擦阻力三种参数，可以模拟出多种辅助连接附件。本发明通过采集、处理施力器本体及转矩输出装置的位置、转速和扭矩等信号，可实现施力器本体在不同参数辅助连接模拟装置与指定类型转矩组合下的静动态性能测试。本发明填补了目前康复健身设备测试检测领域尚无可用于动态检测施力器性能的设备的空白。

Description

施力器测试实验台

技术领域

本发明一种施力器测试实验台，属于康复健身设备测试检测领域。具体涉及一种为填补目前康复健身设备测试检测领域尚无可用于动态检测施力器性能设备空白而设计的，能够测试施力器性能以及改进施力器控制算法的施力器测试实验台。

背景技术

肌力的精确测量和科学训练对肌肉及运动神经的训练和康复非常重要。施力器作为测量和训练肌力的工具，广泛应用于医疗康复领域和体育健身领域。然而，目前康复健身设备测试检测领域尚无可用于动态检测施力器性能的设备；对于研发、设计和改进施力器而言，施力器的静动态性能检测意义重大。并且，现有技术中急需一种能够测试施力器性能以及改进施力器控制算法的施力器测试实验台的设备以及相应配套的测试技术。

发明内容

本发明一种施力器测试实验台的目的在于：为填补目前康复健身设备测试检测领域尚无可用于动态检测施力器性能的设备的空白，提供一种为了测试施力器的性能以及改进施力器的控制算法而设计的一种施力器测试实验台。

本发明一种施力器测试实验台，其特征在于是一种为了测试施力器的性能以及改进施力器的控制算法而设计的施力器测试实验台，该实验台由型材支架22、调节支座23、调节螺母24、输出装置控制器、施力器控制器、测量中心、施力器本体、辅助连接模拟装置和转矩输出装置组成，其所述的转矩输出装置、辅助连接模拟装置和施力器本体都固定在调节支座23上，调节支座23再固定在型材支架22上；所述的转矩输出装置与辅助连接模拟装置作用时，转矩输出装置与辅助连接模拟装置通过齿轮啮合传动，其中转矩输出装置的主动齿轮16和辅助连接模拟装置的被动齿轮9间隙通过调节支座23和调节螺母24进行调整，模拟出齿轮传动在换向时的死区；所述的辅助连接模拟装置包括变弹性模量机构、变转动惯量机构和变摩擦阻力机构，通过调节这三个机构模拟弹性模量、转动惯量和摩擦阻力参数不同的辅助连接附件；所述的变弹性模量机构包括弹性轴5、第一联轴器4和第二联轴器6；其中，弹性轴5两端分别通过第一联轴器4、第二联轴器6与施力器本体、齿轮支撑轴8连接；所述的变转动惯量机构包括轴承支座7、齿轮支撑轴8、腹板式齿轮9、不同重量的小铅柱11及紧定螺钉；其中，齿轮支持轴8通过滚动轴承固定在轴承支座7上，腹板式齿轮9通过键与支撑轴8连接，小铅柱11在腹板孔上通过紧定螺钉固定；在腹板式齿轮9的六个不同位置的腹板孔上安装不同重量的小铅柱11，模拟辅助连接附件不同大小的转动惯量以及不平衡的转动惯量；所述的变摩擦阻力机构包括固定在腹板式齿轮周边的铜环10、磁铁组件12、磁铁支架13和调整紧定螺钉14；其中，铜环10与腹板齿轮9刚性联接；磁铁组件12由若干环形永磁体与橡胶圈相间串联在弧形铁圈上，弧形铁圈与铜环10曲率相同，磁铁组件12在铜环10的正下方，当铜环10随腹板式齿轮9转动时，切割磁铁组件的磁感线产生电流进而形成涡流，在磁场中运动的涡流产生洛伦兹力；产生的洛伦兹力与腹板式齿轮9的旋转方向相反，故可模拟摩擦阻力；通过调整紧定螺钉14改变磁铁组件12与铜环10的距离来改变磁感应强度，从而改变辅助连接模拟装置转动时受到摩擦阻力的大小；输出装置控制器与转矩输出装置通过电气连接，以控制转矩输出装置的位置、转速和转矩，施力器控制器与施力器本体也通过电气连接，以控制施力器本体的位置、转速和转矩；测量中心分别与转矩输出装置和施力器本体进行电气连接，以实时检测转矩输出装置和施力器本体上的转矩、转速信息；根据测量中心检测到的信息来动态调节输出装置控制器和施力器控制器的控制指令，以调整转矩输出装置和施力器本体的参数；辅助连接模拟装置两端分别与转矩输出装置和施力器本体机械连接；转矩输出装置将指定类型的转矩通过辅助连接模拟装置作用到施力器本体上，同时通过测量中心实时检测转矩输出装置主动端和施力器本体被动端的位置、转速和转矩三个参数，以完成对施力器的全面测量。

上述的转矩输出装置与辅助连接模拟装置作用时，转矩输出装置与辅助连接模拟装置通过齿轮啮合传动，其中转矩输出装置的主动齿轮16和辅助连接模拟装置的被动齿轮9间隙通过调节支座23和调节螺母24进行调整，模拟出齿轮传动在换向时的死区。

上述的一种施力器测试实验台，其特征在于所述的变弹性模量机构可使用不同的材料为：铸铁、轧制铝、木材、橡胶或尼龙等，不同结构为：空心或实心等，不同横截面积的弹性轴5，使得辅助连接模拟装置的弹性模量覆盖0.01~2×10⁵MPa，以模拟不同弹性模量的辅助连接附件。

本发明的主要工作过程是在实验室条件下向施力器本体与不同参数的辅助连接模拟装置组合输入恒定转矩、振动转矩和过渡转矩等多种类型转矩。通过测量中心采集、处理施力器本体及转矩输出装置的位置、转速和扭矩等信号，可实现施力器本体在不同参数的辅助连接模拟装置与指定类型转矩组合下的静动态性能测试；进而改写施力器控制器的控制算法或调整施力器本体自身参数以使施力器达到最优工作状态。

本发明中的辅助连接模拟装置用于模拟施力器使用时必备的辅助连接附件，通过分别改变该装置中的弹性模量、转动惯量和摩擦阻力，可以模拟出多种辅助连接附件。

本发明中的转矩输出装置可输出大小、方向完全可控的转矩，用于模拟人对施力器施加的转矩。

本发明中的转矩输出装置的主动齿轮16和辅助连接模拟装置的被动齿轮9间隙通过调节支座23和调节螺母24进行调整，从而可以模拟出齿轮传动在换向时的死区。

本发明一种施力器测试实验台，其优点在于：

（1）本发明中的辅助连接模拟装置用于模拟施力器使用时必备的辅助连接附件，通过分别改变该装置中的弹性模量、转动惯量和摩擦阻力，从而可以模拟出多种辅助连接附件。（2）本发明中的转矩输出装置可输出大小、方向完全可控的转矩，用于模拟人对施力器施加的转矩。（3）通过实时检测施力器本体和转矩输出装置的位置、转速、扭矩等信号，完成对施力器本体的静动态性能检测。进一步，优化施力器本体的响应性。

附图说明

图1是施力器测试实验台的总体工作流程图；

图2是施力器测试实验台的一种实施方式的三维机械结构图；

图3是施力器测试实验台的一种实施方式的主视图；

图4是施力器测试实验台的一种实施方式的俯视图；

图中1-施力器电机、2-施力器减速器、3-施力器电滑环、4-第一联轴器、5-弾性轴、6-第二联轴器、7-轴承支座、8-齿轮支撑轴、9-腹板式齿轮、10-铜环、11-小铅柱、12-磁铁组件、13-磁铁支架、14-调整紧定螺钉、15-滑动凹槽、16-小齿轮、17-测力轴、18-轴端挡圈、19-输出装置电滑环、20-输出装置减速器、21-施力伺服电机、22-型材支架、23-调节支座、24-调节螺母。

具体实施方式

实施方式1

本发明是通过以下具体技术方案实现的：

施力器本体为模拟在不同参数辅助连接模拟装置与受到指定类型转矩下的性能检测的被试对象。

辅助连接模拟装置包括变弹性模量机构、变转动惯量机构和变摩擦阻力机构，其中：

变弹性模量机构包括弹性轴5、第一联轴器4和第二联轴器6；其中，弹性轴5两端分别通过第一联轴器4、第二联轴器6与测力轴、齿轮支撑轴8连接；通过使用铸铁材料、空心结构的不同横截面积的弹性轴5，使得辅助连接模拟装置的弹性模量覆盖0.01~2×10⁵MPa，从而可以模拟不同弹性模量的辅助连接附件；

变转动惯量机构包括轴承支座7、齿轮支撑轴8、腹板式齿轮9、不同重量的小铅柱11及紧定螺钉；其中，齿轮支持轴8通过滚动轴承固定在轴承支座7上，腹板式齿轮9通过键与支撑轴8连接，小铅柱11在腹板孔上通过紧定螺钉固定；在腹板式齿轮9的六个不同位置的腹板孔上安装不同重量的小铅柱11，可以模拟辅助连接附件不同大小的转动惯量，以及不平衡的转动惯量；

变摩擦阻力机构包括固定在腹板式齿轮周边的铜环10、磁铁组件12、磁铁支架13、调整紧定螺钉14。铜环10与腹板齿轮9刚性联接；磁铁组件12由若干环形永磁体与橡胶圈相间串联在弧形铁圈上，弧形铁圈与铜环10曲率相同，磁铁组件12在铜环10的正下方。当铜环10随腹板式齿轮9转动时，切割磁铁组件12的磁感线产生电流进而形成涡流，在磁场中运动的涡流产生洛伦兹力。产生的洛伦兹力与腹板式齿轮9的旋转方向相反，故可模拟摩擦阻力；通过调整紧定螺钉14改变磁铁组件12与铜环10的距离改变磁感应强度，从而可以改变辅助连接模拟装置转动时受到摩擦阻力的大小。

转矩输出装置用于模拟人对施力器施加的转矩。

转矩输出装置、辅助连接模拟装置和施力器本体都固定在调节支座23上，调节支座再固定在型材支架22上；输出装置控制器与转矩输出装置通过电气连接，以控制转矩输出装置的位置、转速和扭矩，同理，施力器控制器与施力器本体通过电气连接，以控制施力器本体的位置、转速和扭矩；测量中心分别与转矩输出装置、施力器本体电气连接，以实时检测转矩输出装置和施力器本体上的扭矩、转速等信息；辅助连接模拟装置两端分别与转矩输出装置、施力器本体机械连接。

通过在输出装置控制器上设定控制指令来使转矩输出装置输出指定类型的转矩，然后转矩输出装置将指定类型的转矩通过辅助连接模拟装置作用到施力器本体上，同时，在施力器控制器上设定控制指令来使施力器本体对向其输入的作用做出反应；在这个过程中，测量中心实时检测转矩输出装置（主动端）和施力器本体（被动端）的位置、转速和扭矩三个参数。通过调整辅助连接模拟装置的弹性惯量、摩擦阻力、转动惯量等参数，分别对比转矩输出装置和施力器本体的位置、转速、扭矩等信号随时间的变化情况，可以完成对施力器本体的静动态性能检测。进一步，根据测量中心实时检测到的信息来动态调节输出装置控制器和施力器控制器的控制指令，优化施力器本体的控制算法和调整施力器本体的伺服增益，对施力器本体的响应性进行优化并实际检测优化结果。

下面结合附图说明本发明装置的机械结构以及工作过程。

结合附图1说明施力器测试实验台的总体工作流程，施力器测试实验台主要由输出装置控制器、施力器控制器、测量中心、施力器本体、辅助连接模拟装置和转矩输出装置组成。输出装置控制器与转矩输出装置通过电气连接，以控制转矩输出装置的位置、转速和扭矩，同理，施力器控制器与施力器本体通过电气连接，以控制施力器本体的位置、转速和扭矩；测量中心分别与转矩输出装置、施力器本体电气连接，以实时检测转矩输出装置和施力器本体上的位置、扭矩、转速等信息；辅助连接模拟装置两端分别与转矩输出装置、施力器本体机械连接。转矩输出装置将指定类型的转矩通过辅助连接模拟装置作用到施力器本体上。

下面根据图1、图2详细介绍施力器测试实验台的一种实施例的具体实施方式：

施力器测试实验台由型材支架22、调节支座23、调节螺母24、输出装置控制器、施力器控制器、测量中心、施力器本体、辅助连接模拟装置和转矩输出装置组成。

转矩输出装置、辅助连接模拟装置和施力器本体都固定在调节支座23上，调节支座再固定在型材支架22上。

施力器本体包括施力器电机1、施力器减速器2及测力轴和施力器电滑环3；其中，施力电机1与施力器减速器2之间、施力器减速器2与测力轴之间通过键刚性连接，施力器电滑环3运动部分与测力轴通过紧定螺钉固定，施力器电滑环3静止部分通过紧定螺钉与调节支座23固定。

辅助连接模拟装置包括变弹性模量机构、变转动惯量机构和变摩擦阻力机构，其中：

变弹性模量机构包括弹性轴5、第一联轴器4、第二联轴器6；弹性轴5通过第一联轴器4与测力轴刚性联接、通过第二联轴器6与齿轮支撑轴8刚性连接；通过改变弹性轴5的材料、结构、横截面积，可以模拟不同弹性模量的辅助连接附件；

变转动惯量机构包括轴承支座7、齿轮支撑轴8、腹板式齿轮9、不同重量的小铅柱11及紧定螺钉；其中，齿轮支持轴8通过滚动轴承固定在轴承支座7上，腹板式齿轮9通过键与支撑轴8连接，小铅柱11在腹板孔上通过紧定螺钉固定；在腹板式齿轮9的六个不同位置的腹板孔上安装不同重量的小铅柱11，可以模拟辅助连接附件不同大小的转动惯量，以及不平衡的转动惯量；

变摩擦阻力机构包括固定在腹板式齿轮周边的铜环10、磁铁组件12、磁铁支架13、调整紧定螺钉14。铜环10通过螺钉固定，与腹板齿轮9刚性联接；磁铁组件12由若干环形永磁体与橡胶圈相间串联在弧形铁圈上，弧形铁圈与铜环曲率相同，磁铁组件在铜环10的正下方；当铜环10随腹板式齿轮9转动时，切割磁铁组件12的磁感线产生电流进而形成涡流，在磁场中运动的涡流产生洛伦兹力。产生的洛伦兹力可模拟摩擦阻力；通过调整紧定螺钉14来使磁铁支架13在滑动凹槽15内移动，从而调整磁铁组件12与铜环10的距离来改变辅助连接模拟装置转动时受到摩擦阻力的大小。

转矩输出装置包括施力伺服电机21、输出装置减速器20、输出装置电滑环19、轴端挡圈18、测力轴17和小齿轮16；施力伺服电机21与输出装置减速器20之间、输出装置减速器20与测力轴17之间、测力轴17与小齿轮16之间通过键刚性连接，输出装置电滑环19运动部分与测力轴17通过紧定螺钉固定，输出装置电滑环19静止部分通过紧定螺钉与调节支座23固定。

通过输出装置控制器对转矩输出装置的施力伺服电机21设置为转矩模式下的恒定转矩，恒定转矩经过输出装置减速器20放大，再经过测力轴17传到小齿轮16，最后转矩输出装置输出的恒定的转矩通过小齿轮16与腹板齿轮9啮合传到辅助连接模拟装置。

腹板式齿轮9与齿轮支撑轴8通过键刚性联接，故转矩输出装置输出的恒定转矩通过齿轮啮合传输至腹板式齿轮9的支撑轴8上，变转动惯量机构和变摩擦阻力机构通过腹板式齿轮9作用于支撑轴8上。支撑轴8与弹性轴5输入端通过第二联轴器6刚性联接，可变弹性模量以及前面的恒定转矩、可变转动惯量、可变摩擦阻力通过弹性轴5输出端的第一联轴器4作用于施力器本体的测力轴和施力器电滑环3上，最后通过施力器减速器2作用到施力器电机1上。

通过施力器控制器对施力器电机1设置成等速运动模式；施力器电机1对通过辅助连接模拟装置作用在其上的恒定转矩做出反应，使得转矩输出装置和施力器本体都以恒定的转矩和一定的速度运动。

在整个施力器测试实验台运行过程中，测力轴17及输出装置电滑环19把转矩输出装置的实时转矩信号和施力伺服电机21把转矩输出装置的实时转速及位置信号一起上传到测量中心，与此同时，测力轴及施力器电滑环3把施力器本体的实时转矩信号和施力器电机1把施力器本体的实时转速及位置信号也一起上传到测量中心。

分别对比转矩输出装置和施力器本体的位置、转速、转矩等信号随时间的变化情况，完成施力器本体的响应性、稳定性等静动态性能检测。进一步，通过分析、对比转矩输出装置和施力器本体的位置、转速、转矩等信号，优化施力器本体的控制算法和调整施力器本体的伺服增益，并实际检测优化结果。

实施方式2

变弹性模量机构包括弹性轴5、第一联轴器4和第二联轴器6；其中，弹性轴5两端分别通过第一联轴器4、第二联轴器6与测力轴、齿轮支撑轴8连接；通过使用轧制铝材料、空心结构的不同横截面积的弹性轴5，使得辅助连接模拟装置的弹性模量覆盖0.01~2×10⁵MPa，从而可以模拟不同弹性模量的辅助连接附件,其它同实施方式1 。

实施方式3

变弹性模量机构包括弹性轴5、第一联轴器4和第二联轴器6；其中，弹性轴5两端分别通过第一联轴器4、第二联轴器6与测力轴、齿轮支撑轴8连接；通过使用不同的木材、实心结构的不同横截面积的弹性轴5，使得辅助连接模拟装置的弹性模量覆盖0.01~2×10⁵MPa，从而可以模拟不同弹性模量的辅助连接附件，其它同实施方式1 。

实施方式4

变弹性模量机构包括弹性轴5、第一联轴器4和第二联轴器6；其中，弹性轴5两端分别通过第一联轴器4、第二联轴器6与测力轴、齿轮支撑轴8连接；通过使用橡胶材料、实心结构的不同横截面积的弹性轴5，使得辅助连接模拟装置的弹性模量覆盖0.01~2×10⁵MPa，从而可以模拟不同弹性模量的辅助连接附件，其它同实施方式1 。

实施方式5

变弹性模量机构包括弹性轴5、第一联轴器4和第二联轴器6；其中，弹性轴5两端分别通过第一联轴器4、第二联轴器6与测力轴、齿轮支撑轴8连接；通过使用尼龙材料、实心结构的不同横截面积的弹性轴，使得辅助连接模拟装置的弹性模量覆盖0.01~2×10⁵MPa，从而可以模拟不同弹性模量的辅助连接附件，其它同实施方式1 。

上述具体实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替换、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种施力器测试实验台，其特征在于是一种为了测试施力器的性能以及改进施力器的控制算法而设计的施力器测试实验台，该实验台由型材支架（22）、调节支座（23）、调节螺母（24）、输出装置控制器、施力器控制器、测量中心、施力器本体、辅助连接模拟装置和转矩输出装置组成，其所述的转矩输出装置、辅助连接模拟装置和施力器本体都固定在调节支座（23）上，调节支座（23）再固定在型材支架（22）上；所述的转矩输出装置与辅助连接模拟装置作用时，转矩输出装置与辅助连接模拟装置通过齿轮啮合传动，其中转矩输出装置的主动齿轮（16）和辅助连接模拟装置的被动齿轮（9）间隙通过调节支座（23）和调节螺母（24）进行调整，模拟出齿轮传动在换向时的死区；所述的辅助连接模拟装置包括变弹性模量机构、变转动惯量机构和变摩擦阻力机构，通过调节这三个机构模拟弹性模量、转动惯量和摩擦阻力参数不同的辅助连接附件，所述的变弹性模量机构包括弹性轴（5）、第一联轴器（4）和第二联轴器（6），弹性轴（5）两端分别通过第一联轴器（4）、第二联轴器（6）与施力器本体和齿轮支撑轴（8）连接；所述的变转动惯量机构包括轴承支座（7）、齿轮支撑轴（8）、腹板式齿轮（9）、不同重量的小铅柱（11）及紧定螺钉，齿轮支持轴（8）通过滚动轴承固定在轴承支座（7）上，腹板式齿轮（9）通过键与齿轮支撑轴（8）连接，小铅柱（11）在腹板孔上通过紧定螺钉固定；在腹板式齿轮（9）的六个不同位置的腹板孔上安装不同重量的小铅柱（11），模拟辅助连接附件不同大小的转动惯量以及不平衡的转动惯量；所述的变摩擦阻力机构包括固定在腹板式齿轮周边的铜环（10）、磁铁组件（12）、磁铁支架（13）和调整紧定螺钉（14），铜环（10）与腹板齿轮（9）刚性联接，磁铁组件（12）由环形永磁体与橡胶圈相间串联在弧形铁圈上，弧形铁圈与铜环（10）曲率相同，磁铁组件（12）在铜环（10）的正下方，当铜环（10）随腹板式齿轮（9）转动时，切割磁铁组件的磁感线产生电流进而形成涡流，在磁场中运动的涡流产生洛伦兹力；产生的洛伦兹力与腹板式齿轮（9）的旋转方向相反，故可模拟摩擦阻力，通过调整紧定螺钉（14）改变磁铁组件（12）与铜环（10）的距离来改变磁感应强度，改变辅助连接模拟装置转动时受到摩擦阻力的大小；输出装置控制器与转矩输出装置通过电气连接，以控制转矩输出装置的位置、转速和转矩，施力器控制器与施力器本体也通过电气连接，以控制施力器本体的位置、转速和转矩；测量中心分别与转矩输出装置和施力器本体进行电气连接，以实时检测转矩输出装置和施力器本体上的转矩、转速信息；根据测量中心检测到的信息来动态调节输出装置控制器和施力器控制器的控制指令，以调整转矩输出装置和施力器本体的参数；辅助连接模拟装置两端分别与转矩输出装置和施力器本体机械连接；转矩输出装置将指定类型的转矩通过辅助连接模拟装置作用到施力器本体上，同时通过测量中心实时检测转矩输出装置主动端和施力器本体被动端的位置、转速和转矩三个参数，以完成对施力器的全面测量。

2.根据权利要求1所述的一种施力器测试实验台，其特征在于所述的转矩输出装置与辅助连接模拟装置作用时，转矩输出装置与辅助连接模拟装置通过齿轮啮合传动，其中转矩输出装置的主动齿轮（16）和辅助连接模拟装置的被动齿轮（9）间隙通过调节支座（23）和调节螺母（24）进行调整，模拟出齿轮传动在换向时的死区。

3.根据权利要求1所述的一种施力器测试实验台，其特征在于所述的变弹性模量机构使用不同的材料为：铸铁、轧制铝、木材、橡胶或尼龙，不同结构为：空心或实心，不同横截面积的弹性轴5，使得辅助连接模拟装置的弹性模量覆盖0.01~2×10⁵MPa，以模拟不同弹性模量的辅助连接附件。