CN107860570A - 一种工业机器人刚度测量加载装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业机器人刚度测量加载装置及测量方法，该加载装置包括：回转底座，所述回转底座能够沿水平面做回转运动；传力座，所述传力座与所述回转底座固定连接，且所述传力座内能转动地设置有丝杠，所述丝杠上套设置有丝杠螺母，所述丝杠螺母上固定有铰接座；连接杆，所述连接杆的一端铰接于所述铰接座上，且其能在竖直面内做回转运动，所述连接杆上通过限位组件套设有弹簧，所述弹簧外设置有套筒，所述套筒的远离铰接座的一端装配有连接套筒，所述连接套筒的外端部与工业机器人末端相连接。上述测量加载装置不仅结构简单，操作方便，适用范围广；而且测量效率高，可以实现机器人X、Y、Z三个方向上静刚度的测量。

Description

一种工业机器人刚度测量加载装置及测量方法

技术领域

本发明属于机器人性能测试技术领域，尤其是涉及一种用于测量机器人三个方向静刚度的工业机器人刚度测量加载装置及测量方法。

背景技术

工业机器人是一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。与数控机床相比，机器人除了绝对定位精度低，结构刚性也是影响其加工性能及末端精度的重要因素。主要表现在以下几个方面：(1)多连杆串联耦合机构，刚度和结构稳定性差；(2)电机和传动机构等一般都安置在运行的连杆上，恶化了动力学性能且增加了装置的惯性；(3)机加工时刀轴矢量到机器人姿态的映射有无数种，机器人在不同姿态下的刚度差异较大。机器人末端刚度反映机器人抵抗外力变形保持位姿精度的能力，在承载工况下机器人弱刚性是影响其位姿精度的重要因素。因此，对关节型工业机器人的刚度研究有着至关重要的意义。

目前，现有技术对机器人进行了刚度辨识实验，采用的加载装置是通过滑轮装置在机器人末端加载，改变所悬挂的物体的重量达到改变受力大小的目的。这种测量装置在具体的应用中存在结构复杂和操作繁琐的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业机器人刚度测量加载装置，以解决现有技术中工业机器人刚度测量加载存在结构复杂和操作繁琐的问题。

本发明的另一目的在于提供一种工业机器人刚度测量加载装置的测量方法，以解决现有技术中工业机器人刚度测量存在操作繁琐和测量效率低的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种工业机器人刚度测量加载装置，其包括：

回转底座，所述回转底座能够沿水平面做回转运动；

传力座，所述传力座与所述回转底座固定连接，且所述传力座内能转动地设置有丝杠，所述丝杠上套设置有丝杠螺母，所述丝杠螺母上固定有铰接座；

连接杆，所述连接杆的一端铰接于所述铰接座上，且其能在竖直面内做回转运动，所述连接杆上通过限位组件套设有弹簧，所述弹簧外设置有套筒，所述套筒的远离铰接座的一端装配有连接套筒，所述连接套筒的外端部与工业机器人末端相连接。

特别地，所述回转底座包括中空的底座本体及螺柱，所述螺柱穿过所述底座本体，所述底座本体的两端与所述螺柱之间均设置有止推轴承，所述螺柱的上端部开设有外螺纹，对应于所述传力座上开设有固定孔，所述螺柱的上端部伸出所述固定孔并通过螺母将底座本体连接于传力座上。

特别地，所述传力座包括底板和两个端板，所述两个端板固定于所述底板的两端，所述丝杠的两端分别通过轴承装配于两个端板上。

特别地，所述两个端板之间于所述丝杠的两侧均连接有挡板。

特别地，所述铰接座上通过螺母设置有铰接螺栓，所述连接杆的一端开设有铰接孔，通过铰接孔将连接杆铰接于铰接螺栓上。

特别地，所述限位组件包括限位螺母和圆环端盖，所述连接杆上相对于开设铰接孔的另一端开设有外螺纹段，所述限位螺母安装于该外螺纹段上，所述圆环端盖设置于所述套筒靠近铰接座的一端配合所述限位螺母对弹簧限位，所述弹簧受力方向与工业机器人末端受力方向一致。

特别地，所述连接套筒通过螺纹结构连接于所述套筒上，且所述连接套筒的外端部开设有与工业机器人末端相连接的圆柱孔。

特别地，所述铰接座通过固定螺栓固定于所述丝杠螺母上。

特别地，所述丝杠经过人工转动使得丝杠螺母产生加载时所需要的位移，以使工业机器人末端受力大小改变。

一种工业机器人刚度测量加载装置的测量方法，包括以下步骤：

1)搭建刚度辨识实验平台，平台主要包括：工业机器人、机器人末端执行器(主轴和刀柄等)、激光跟踪仪、测力仪、NI信号采集系统和上述工业机器人刚度测量加载装置；

2)在T型槽工作台安装测力仪，测量施加在机器人末端的作用力，借助绳索在大范围工作空间内对机器人末端加载，激光跟踪仪测量机器人末端3个位置的变形；

3)采用螺栓将回转底座与测力仪固定，增加一个回转自由度确保机器人末端受力和测力仪受力在同一直线上但方向相反，通过转动丝杠使弹簧拉动绳索对机器人末端进行加载；

4)打表调平，在工业机器人末端安装百分表，打表调整工作台的水平和测力仪Y方向，确保测力仪坐标系和机器人坐标系的转换关系；

5)激光跟踪仪建立测量坐标系，由不用关节的轴线以及底板平面建立测量坐标系，理论上测量坐标系和机器人基坐标系是一致的；

6)将机器人运行至合适的位姿并记录，此时绳索呈松弛状态，测量机器人末端3处靶标的位置；

7)转动加载装置的丝杠，绳索拉紧后对机器人加载，把力加载至合适的大小(在信号采集软件LabVIEW上观测)；

8)当LabVIEW上力的波形区域稳定时，再次测量机器人末端3个靶标的位置；

9)转动丝杠卸除机器人末端载荷，将机器人运行至下一个合适的姿态，重复6)-9)步骤。

本发明的有益效果为，与现有技术相比所述工业机器人刚度测量加载装置及测量方法具有如下优点：

1)回转底座在水平面内可以自由旋转任意角度，连接杆的连接方式使得它可以在竖直面内作180度转动，当与机器人末端通过绳索连接在一起时，机器人末端受力方向可以是三维空间内任意方向，且通过测力仪测量可以知道X、Y、Z三个方向上力的大小，经过计算即可同时测量机器人末端的三维静刚度，拓宽了加载装置的测量范围，增加了装置的通用性。

2)测量方法采用激光跟踪仪测量机器人末端变形量，能够实现全自动跟踪，测量速度快，精度高。

3)加载装置结构简单，操作方便，适用范围广，测量效率高，可以实现机器人X、Y、Z三个方向上静刚度的测量，能够为理论研究的分析提供实验数据的支持。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的工业机器人刚度测量加载装置的立体结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的工业机器人刚度测量加载装置的爆炸图；

图3是本发明具体实施方式提供的工业机器人刚度测量加载装置的连接杆部分的爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参阅图1至图3所示，本实施例中，一种工业机器人刚度测量加载装置包括回转底座、传力座和连接杆1，所述回转底座能够沿水平面做自由旋转任意角度的回转运动；其包括中空的底座本体2及螺柱3，所述螺柱3穿过所述底座本体2，所述底座本体2的两端与所述螺柱3之间均设置有止推轴承4，所述传力座包括底板5和两个端板6，所述两个端板6通过连接螺栓固定于所述底板5的两端，所述底板5上开设有固定孔7，所述螺柱3的上端部伸出所述固定孔7并通过螺母将底座本体2连接于底板5上，所述两个端板6上对应装配有轴承8，两个轴承8之间能转动地安装有丝杠9，所述丝杠9上通过螺纹结构套设置有丝杠螺母10，且所述两个端板6之间于所述丝杠9的两侧均连接有挡板11。

所述丝杠螺母10上通过固定螺栓固定有铰接座12，所述铰接座12上通过螺母设置有铰接螺栓13，所述连接杆1的一端开设有铰接孔14，通过铰接孔14将连接杆1铰接于铰接螺栓13上，所述连接杆1在竖直面内能做180度回转运动；所述连接杆1上通过限位组件套设有弹簧15，所述弹簧15外设置有套筒16，所述套筒16的远离铰接座12的一端通过螺纹结构装配有连接套筒17，所述连接套筒17的外端部开设有与工业机器人末端相连接的圆柱孔18。

所述限位组件包括限位螺母19和圆环端盖20，所述连接杆1上相对于开设铰接孔14的另一端开设有外螺纹段21，所述限位螺母19安装于该外螺纹段21上，所述圆环端盖20设置于所述套筒16靠近铰接座12的一端配合所述限位螺母19对弹簧15限位，所述弹簧15受力方向与工业机器人末端受力方向一致(方向相反)。因此，使用绳索将加载装置末端连接部分与工业机器人末端连接在一起，给加载装置施加力时能够确保机器人末端受力和测力仪受力的方向一致(方向相反)，所述连接杆1在竖直面内能做180度回转运动，与底座部分结合在一起即可使加载装置在三维空间内任意方向对机器人末端产生作用力。实现对机器人末端X、Y、Z三个方向上的静刚度，增强了该装置的通用性，扩大了测量范围。

使用时，底座本体2通过螺栓固定连接于工作台上，与测力仪固定在一起，使得NI信号采集系统及时获取数据。

上述工业机器人刚度测量加载装置的测量方法，包括以下步骤：

1)搭建刚度辨识实验平台，平台主要包括：工业机器人、机器人末端执行器(主轴和刀柄等)、激光跟踪仪、测力仪、NI信号采集系统和上述工业机器人刚度测量加载装置；

2)在T型槽工作台安装测力仪，测量施加在机器人末端的作用力，借助绳索在大范围工作空间内对机器人末端加载，激光跟踪仪测量机器人末端3个位置的变形；

3)采用螺栓将底座本体2与测力仪固定，增加一个回转自由度确保机器人末端受力和测力仪受力在同一直线上但方向相反，通过转动丝杠9使弹簧15拉动绳索对机器人末端进行加载；

4)打表调平，在工业机器人末端安装百分表，打表调整工作台的水平和测力仪Y方向，确保测力仪坐标系和机器人坐标系的转换关系；

5)激光跟踪仪建立测量坐标系，由不用关节的轴线以及底板平面建立测量坐标系，理论上测量坐标系和机器人基坐标系是一致的；

6)将机器人运行至合适的位姿并记录，此时绳索呈松弛状态，测量机器人末端3处靶标的位置；

7)转动加载装置的丝杠9，绳索拉紧后对机器人加载，把力加载至合适的大小(在信号采集软件LabVIEW上观测)；

8)当LabVIEW上力的波形区域稳定时，再次测量机器人末端3个靶标的位置；

9)转动丝杠9卸除机器人末端载荷，将机器人运行至下一个合适的姿态，重复6)-9)步骤。

上述使用工业机器人刚度测量加载装置的测量方法，适用于工业机器人，通常的工业机器人均能在X、Y、Z三个方向进行移动，因而均能适用上述方法。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述事例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种工业机器人刚度测量加载装置，其特征在于，其包括：

回转底座，所述回转底座能够沿水平面做回转运动；

传力座，所述传力座与所述回转底座固定连接，且所述传力座内能转动地设置有丝杠，所述丝杠上套设置有丝杠螺母，所述丝杠螺母上固定有铰接座；

连接杆，所述连接杆的一端铰接于所述铰接座上，且其能在竖直面内做回转运动，所述连接杆上通过限位组件套设有弹簧，所述弹簧外设置有套筒，所述套筒的远离铰接座的一端装配有连接套筒，所述连接套筒的外端部与工业机器人末端相连接。

2.根据权利要求1所述的工业机器人刚度测量加载装置，其特征在于，所述回转底座包括中空的底座本体及螺柱，所述螺柱穿过所述底座本体，所述底座本体的两端与所述螺柱之间均设置有止推轴承，所述螺柱的上端部开设有外螺纹，对应于所述传力座上开设有固定孔，所述螺柱的上端部伸出所述固定孔并通过螺母将底座本体连接于传力座上。

3.根据权利要求1或2所述的工业机器人刚度测量加载装置，其特征在于，所述传力座包括底板和两个端板，所述两个端板固定于所述底板的两端，所述丝杠的两端分别通过轴承装配于两个端板上。

4.根据权利要求3所述的工业机器人刚度测量加载装置，其特征在于，所述两个端板之间于所述丝杠的两侧均连接有挡板。

5.根据权利要求1所述的工业机器人刚度测量加载装置，其特征在于，所述铰接座上通过螺母设置有铰接螺栓，所述连接杆的一端开设有铰接孔，通过铰接孔将连接杆铰接于铰接螺栓上。

6.根据权利要求1所述的工业机器人刚度测量加载装置，其特征在于，所述限位组件包括限位螺母和圆环端盖，所述连接杆上相对于开设铰接孔的另一端开设有外螺纹段，所述限位螺母安装于该外螺纹段上，所述圆环端盖设置于所述套筒靠近铰接座的一端配合所述限位螺母对弹簧限位，所述弹簧受力方向与工业机器人末端受力方向一致。

7.根据权利要求1所述的工业机器人刚度测量加载装置，其特征在于，所述连接套筒通过螺纹结构连接于所述套筒上，且所述连接套筒的外端部开设有与工业机器人末端相连接的圆柱孔。

8.根据权利要求1所述的工业机器人刚度测量加载装置，其特征在于，所述铰接座通过固定螺栓固定于所述丝杠螺母上。

9.根据权利要求1所述的工业机器人刚度测量加载装置，其特征在于，所述丝杠经过人工转动使得丝杠螺母产生加载时所需要的位移，以使工业机器人末端受力大小改变。

10.一种工业机器人刚度测量加载装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建刚度辨识实验平台，平台主要包括：工业机器人、机器人末端执行器、激光跟踪仪、测力仪、NI信号采集系统和如权利要求1-9所述的工业机器人刚度测量加载装置；

2)在T型槽工作台安装测力仪，测量施加在机器人末端的作用力，借助绳索在大范围工作空间内对机器人末端加载，激光跟踪仪测量机器人末端3个位置的变形；

3)采用螺栓将回转底座与测力仪固定，增加一个回转自由度确保机器人末端受力和测力仪受力在同一直线上但方向相反，通过转动丝杠和弹簧拉动绳索对机器人末端进行加载；

4)打表调平，在工业机器人末端安装百分表，打表调整工作台的水平和测力仪Y方向，确保测力仪坐标系和机器人坐标系的转换关系；

5)激光跟踪仪建立测量坐标系，由不用关节的轴线以及底板平面建立测量坐标系，理论上测量坐标系和机器人基坐标系是一致的；

6)将机器人运行至合适的位姿并记录，此时绳索呈松弛状态，测量机器人末端3处靶标的位置；

7)转动加载装置的丝杠，绳索拉紧后对机器人加载，在信号采集软件上观测，把力加载至合适的大小；

8)当信号采集软件上力的波形区域稳定时，再次测量机器人末端3个靶标的位置；

9)转动丝杠卸除机器人末端载荷，将机器人运行至下一个合适的姿态，重复6)-9)步骤。