CN108362423B - 一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台、控制方法及用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台、控制方法及用途，所述的单关节实验测试平台，主要由牵引柔索驱动机构、复位柔索驱动机构、柔索导向过轮机构、转动关节机构四部分组成；柔索驱动机构集成直流伺服电机、微型滚珠丝杠、微型直线导轨和光栅检测系统等，转动关节集成微型磁性编码器和压力传感器等。有益的技术效果：本发明具有运动平稳、结构紧凑、多用途等特点，通过结构创新性设计，可以满足弹性柔索驱动单关节机构的动力学参数辨识和运动控制或力控制的实验测试研究。

Description

一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台、控制方法及用途

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种面向弹性柔索驱动原理的实验测试设备，应用于弹性柔索驱动关节的动力学参数辨识与控制实验研究，尤其涉及一种基于弹性柔索驱动原理并集成多种检测传感器的单自由度柔索驱动关节实验测试平台，具体为一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台、控制方法及用途。

背景技术

柔索驱动是一种通过在传统旋转或直线驱动器的基础上，通过柔索和过渡机构连接驱动器与移动或旋转关节，最终实现驱动器带动柔索牵引关节的运动。柔索驱动是机器人结构轻量化的关键技术之一，在柔索驱动串联机器人和并联机器人中具有广泛应用，柔索驱动的难点包括柔索弹性、张紧度与复杂动力学行为等，高精度的柔索驱动结构设计和控制研究是实现柔索驱动良好性能的基础。将柔索驱动引入小型机器人机构中，例如微创外科手术机器人用多自由度微器械手指，由于机构关节尺寸紧凑、安装空间狭小、无法在关节末端集成位置检测传感器等限制因素影响，实现高精度的位置控制和力控制难度极大。

为此，市面上急需一种适用于柔索驱动的检测平台，能够针对紧凑型和小型柔索驱动机器人关节的结构、运动特点，进行柔索驱动系统的动力学参数辨识、关节参数估计、运动控制和力控制等难点问题的研究是亟待解决的。

发明内容

本发明目的在于提供一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台，该平台基于弹性柔索驱动并集成光栅检测系统，结构紧凑、运动灵活、工作稳定、精度高，可用于弹性柔索驱动关节的动力学参数辨识与控制实验研究。

本发明的具体结构如下：

一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台，由牵引柔索驱动机构1、复位柔索驱动机构2、柔索导向过轮机构3和转动关节机构4四部分组成。其中，柔索导向过轮机构3包含铝合金型材安装底座3006和牵引柔索3005。

在铝合金型材安装底座3006长度方向的一端设有牵引柔索驱动机构1和复位柔索驱动机构2。在铝合金型材安装底座3006的中部设有柔索导向过轮机构3。在铝合金型材安装底座3006的另一端设有转动关节机构4。

牵引柔索3005的一端与牵引柔索驱动机构1相连，复位柔索3004的一端与复位柔索驱动机构2相连。牵引柔索3005与复位柔索3004共同组成钢丝柔索。钢丝柔索穿过柔索导向过轮机构3和转动关节机构4。

所述牵引柔索驱动机构1负责提供牵引柔索3005的驱动拉力，是拉动钢丝柔索的驱动机构。

所述复位柔索驱动机构2负责提供复位柔索3004的复位拉力，是保证钢丝柔索复位张力的驱动机构。

所述柔索导向过轮机构3负责牵引柔索3005和复位柔索3004的导向，实现牵引柔索驱动机构1和复位柔索驱动机构2分别与转动关节机构4连接。

所述转动关节机构4用于安装柔索驱动关节，并进行柔索驱动关节的转角检测与外力测量。

进一步说，牵引柔索驱动机构1由直流伺服电机1001、电机安装支架1002、联轴器1003、滚珠丝杠支撑座组件1004、滚珠丝杠支撑座安装支架1005、光电开关安装支座1006、光电开关1007、牵引机构光栅读数头安装支架1008、牵引机构光栅读数头1009、光电开关遮光片1010、牵引机构光栅尺安装支架1011、牵引机构微型直线滑轨与滑块1012、牵引机构光栅读尺粘贴面板1013、滚珠丝杠定位座组件1014、滚珠丝杠定位座安装支架1015、通气孔螺钉I1016、滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017、滚珠丝杠与螺母组件1018、驱动机构导轨安装面板1020和驱动机构直线滑轨1019所组成。

其中，直流伺服电机1001安装在电机安装支架1002。电机安装支架1002安装在铝合金型材安装底座3006上。直流伺服电机1001通过联轴器1003和滚珠丝杠与螺母组件1018中的滚珠丝杠输入端联接。滚珠丝杠与螺母组件1018中微型滚珠丝杠的输入端和输出端分别与滚珠丝杠支撑座组件1004和滚珠丝杠定位座组件1014中的深沟球轴承联接。滚珠丝杠支撑座组件1004与滚珠丝杠支撑座安装支架1005相连接，滚珠丝杠定位座组件1014和滚珠丝杠定位座安装支架1015连接。滚珠丝杠与螺母组件1018同滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017连接。滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017安装在牵引机构微型直线滑轨与滑块1012的滑块上。同时，滚珠丝杠支撑座安装支架1005、滚珠丝杠定位座安装支架1015、牵引机构微型直线滑轨与滑块1012中滑轨分别安装在驱动机构导轨安装面板1020上表面。驱动机构导轨安装面板1020与铝合金型材安装底座3006连接。牵引机构光栅尺安装支架1011和滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017连接，在牵引机构光栅读尺粘贴面板1013下表面贴附有光栅尺带。在牵引机构光栅读尺粘贴面板1013外侧安装有光电开关遮光片1010。在牵引机构光栅读数头安装支架1008上部安装牵引机构光栅读数头1009。牵引机构光栅读数头安装支架1008安装在铝合金型材安装底座3006外侧。光电开关安装支座1006上表面装有光电开关1007。光电开关安装支座1006安装在铝合金型材安装底座3006外侧。在滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017上部安装通气孔螺钉I1016，牵引柔索3005穿过通气孔螺钉I1016，并与之固定连接。

进一步说，复位柔索驱动机构2由复位弹簧联结支架底座2001、内六角螺钉II2002、复位弹簧联结支架2003、复位弹簧2004、复位机构光栅读数头安装支架2005、复位机构光栅读数头2006、复位机构光栅尺安装支架2007、复位柔索与滑块联结支架2008、通气孔螺钉II2009、复位机构前部安装支架2010、复位机构导轨安装面板2011、复位机构滑块2012、复位机构微型直线滑轨2013、复位机构滑轨支架安装螺钉2014、复位机构后部安装支架2015和复位机构直线滑轨安装螺钉2016所组成。

其中，复位弹簧联结支架2003安装在复位弹簧联结支架底座2001的上表面。复位弹簧2004与复位弹簧联结支架2003连接。复位柔索3004的一端穿过通气孔螺钉II2009后与复位弹簧2004的一端相连接，且复位柔索3004与通气孔螺钉II2009固定连接。复位柔索与滑块联结支架2008安装在复位机构滑块2012的上表面。复位机构微型直线滑轨2013安装在复位机构导轨安装面板2011上。复位机构导轨安装面板2011的一端安装在复位机构前部安装支架2010上，复位机构导轨安装面板2011的另一端安装在复位机构后部安装支架2015的上部。复位弹簧联结支架底座2001、复位机构前部安装支架2010和复位机构后部安装支架2015分别安装在铝合金型材安装底座3006上表面。复位柔索与滑块联结支架2008与复位机构光栅尺安装支架2007连接，且在复位机构光栅尺安装支架2007下表面贴附有光栅尺带。复位机构光栅读数头2006安装在复位机构光栅读数头安装支架2005内侧。复位机构光栅读数头安装支架2005安装在铝合金型材安装底座3006的外侧。

进一步说，柔索导向过轮机构3还包括柔索导向轮3001、导向过轮安装螺钉3002和导向过轮安装支架3003。

其中，柔索导向轮3001通过导向过轮安装螺钉3002安装在导向过轮安装支架3003上表面。复位柔索3004和牵引柔索3005分别经由两个柔索导向轮3001增大相对距离，从而满足与牵引柔索驱动机构1和复位柔索驱动机构2的联结尺寸。

进一步说，转动关节机构4由单关节操作钳4001、定位支架4002、压力传感器安装底座4003、定位支架安装底座4004、压力传感器安装支架4005、内六角螺钉I4006、压力传感器4007、钢丝柔索掐头4008、圆柱磁体安装支架4009、圆柱磁体4010、微型磁性旋转编码器读数头4011、磁性编码器读数头安装支架4012所组成。

其中，牵引柔索3005的另一端、复位柔索3004的另一端均与钢丝柔索掐头4008相连接。牵引柔索3005和复位柔索3004实为同一根钢丝柔索，穿过钢丝柔索掐头4008，分为两段驱动柔索，即牵引柔索3005和复位柔索3004。钢丝柔索掐头4008与单关节操作钳4001的绳槽通过过盈连接。单关节操作钳4001与定位支架4002连接。定位支架4002和压力传感器安装底座4003均安装在定位支架安装底座4004的上表面，定位支架安装底座4004与铝合金型材安装底座3006连接。压力传感器4007安装在压力传感器安装支架4005内侧。压力传感器安装支架4005安装在压力传感器安装底座4003的上表面。通过圆柱磁体安装支架4009将单关节操作钳4001上端的圆柱磁体安装支架4009与检测元件圆柱磁体4010同轴向连接，微型磁性旋转编码器读数头4011安装在磁性编码器读数头安装支架4012上。磁性编码器读数头安装支架4012安装在定位支架4002的上表面。微型磁性旋转编码器读数头4011和圆柱磁体4010构成了单关节操作钳4001的转角检测系统，通过单关节操作钳4001与压力传感器4007的接触实现触碰外力的检测。

采用本发明所述的一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台的检测方法，按如下步骤进行：

步骤1：系统初始化。

步骤2：运行寻找零位程序，控制直流伺服电机1001转动，驱动滚珠丝杠与螺母组件1018中螺母的往复直线移动，带动光电开关遮光片1010移动进入光电开关1007检测有效区域，检测系统运动零位。获得系统零位后，驱动直流伺服电机1001使得单关节操作钳4001运动至0°转角。

步骤3：控制单关节操作钳4001转动，驱动直流伺服电机1001，带动牵引柔索3005驱动单关节操作钳4001转动，通过微型磁性旋转编码器读数头4011测量关节转角检测值，通过光栅读数头检测牵引柔索3005和复位柔索3004的位移量和。

步骤4：通过建立系统动力学模型，并进行参数辨识，可以获得单关节操作钳4001的关节转角检测值的关节转角估测值传递函数，其输入量为复位柔索3004的位移量，关节转角估测值作为关节转动闭环反馈信号。

步骤5：当单关节操作钳4001在运动过程中触碰压力传感器4007时，检测获得关节外力检测值。通过基于系统外力扰动观测器的估测方法估计关节外力值，作为单关节操作钳4001的力反馈信息。

步骤6：将关节转角检测值与关节转角估测值、牵引柔索位移量、复位柔索位移量、关节外力检测值和关节外力估测值反馈至工控机，供进一步分析或存储。

采用本发明所述的一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台的用途，用于微小型弹性柔索驱动机构的动力学参数辨识与控制实验验证，所提供的检测范围是：单关节操作钳4001的关节转角估测精度在92%至95%之间，关节外力估测精度在80%至90%之间，关节估测外力范围在0.1N至3.0N之间。为了保证运动精度，牵引柔索3005和复位柔索3004在运动时的张力不得小于7.5N。此测试平台。

为了更好地说明本发明的结构特点，现换一角度对本发明的结构阐述如下：

结合图1、3、5、7和8所示，本发明主要由以下四部分组成：牵引柔索驱动机构1、复位柔索驱动机构2、柔索导向过轮机构3、转动关节机构4。

结合图1、2、3和4，牵引柔索驱动机构1中直流伺服电机驱动微型滚珠丝杠拉动牵引柔索，复位柔索驱动机构2中复位弹簧拉动复位柔索的两个模块，作为远端关节的驱动器，同时集成光栅检测系统用于检测牵引和复位柔索的位移量。柔索导向过轮机构3为牵引和复位柔索导向，其中铝合金型材安装底座3006作为整体机构的安装基座。转动关节机构4由一个单关节转动机构和微型磁性编码器及压传感器组成，是测试系统的控制对象。牵引柔索驱动机构1、复位柔索驱动机构2、柔索导向过轮机构3和转动关节机构4的具体组成如下：

结合图1、2、3和4，牵引柔索驱动机构1由直流伺服电机1001、电机安装支架1002、联轴器1003、滚珠丝杠支撑座组件1004、滚珠丝杠支撑座安装支架1005、光电开关安装支座1006、光电开关1007、牵引机构光栅读数头安装支架1008、牵引机构光栅读数头1009、光电开关遮光片1010、牵引机构光栅尺安装支架1011、牵引机构微型直线滑轨与滑块1012、牵引机构光栅读尺粘贴面板1013、滚珠丝杠定位座组件1014、滚珠丝杠定位座安装支架1015、通气孔螺钉I1016、滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017、滚珠丝杠与螺母组件1018、驱动机构导轨安装面板1020、驱动机构直线滑轨1019所组成。

结合图1、2、5和6，复位柔索驱动机构2由复位弹簧联结支架底座2001、内六角螺钉II2002、复位弹簧联结支架2003、复位弹簧2004、复位机构光栅读数头安装支架2005、复位机构光栅读数头2006、复位机构光栅尺安装支架2007、复位柔索与滑块联结支架2008、通气孔螺钉II2009、复位机构前部安装支架2010、复位机构导轨安装面板2011、复位机构滑块2012、复位机构微型直线滑轨2013、复位机构滑轨支架安装螺钉2014、复位机构后部安装支架2015、复位机构直线滑轨安装螺钉2016所组成。

结合图1、2和7，柔索导向过轮机构3由柔索导向轮3001、导向过轮安装螺钉3002、导向过轮安装支架3003、复位柔索3004、牵引柔索3005、铝合金型材安装底座3006所组成。

结合图1、2、8和9，转动关节机构4由单关节操作钳4001、定位支架4002、压力传感器安装底座4003、定位支架安装底座4004、压力传感器安装支架4005、内六角螺钉I4006、压力传感器4007、钢丝柔索掐头4008、圆柱磁体安装支架4009、圆柱磁体4010、微型磁性旋转编码器读数头4011、磁性编码器读数头安装支架4012所组成。

有益的技术效果

本发明提供一种新的柔索驱动关节实验测试平台机构设计，引入弹性柔索驱动，即通过伺服电机驱动微型滚珠丝杠拉动牵引柔索，复位柔索通过高精度线性弹簧实现实时张紧，将牵引柔索和复位柔索分别与旋转关节的两端连接，通过两根柔索的反向运动带动关节的转动。同时，通过集成在驱动机构中两套光栅检测系统可以精确的检测柔索的位移变化量，通过参数估计方法能够实现估测远端关节的位置反馈信息，从而实现柔索驱动关节的位置闭环控制，在此基础上可以进行力控制研究。因此，本发明中所设计的基于弹性柔索驱动机构的单自由度关节实验平台，特别适合作为弹性柔索驱动关节的动力学参数辨识与控制实验验证的测试装置。

本弹性柔索驱动单关节实验测试平台发明，还具有以下突出特点与优点：

本发明结构紧凑，集成直流伺服电机与微型滚珠丝杠、两路光栅检测系统、一套微型磁性旋转编码器和两个压力传感器，且远端转动关节外径10mm，钢丝柔索外径0.45mm。

本发明中牵引柔索和复位柔索的位移分别通过两路光栅检测系统实时测量位移变化量，检测精度高。

本发明采用光电开关作为调零和限位装置，并在远端转动关节处安装非接触式磁性旋转编码器采集关节转角，检测精度高。

本发明的远端转动关节中设置了转角触碰力检测压力传感器，压力传感器可以分布在7种角度和位置，安装角度包括0°、±15°、±30°和±45°，能够检测单关节操作钳4001的外部接触力。

附图说明

图1是本发明的整体机构图；

图2是图1另一角度的示意图；

图3是本发明的牵引柔索驱动机构示意图；

图4是图3另一角度的示意图；

图5是本发明的复位柔索驱动机构示意图；

图6是图5另一角度的示意图；

图7是本发明的柔索导向过轮机构示意图；

图8是本发明的转动关节机构示意图；

图9是图8另一角度的示意图。

具体实施方式

下面给出本发明弹性柔索驱动单关节实验测试平台的具体实施方式，并结合附图加以说明。

结合图1至9，一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台，由牵引柔索驱动机构1、复位柔索驱动机构2、柔索导向过轮机构3和转动关节机构4四部分组成。其中，柔索导向过轮机构3包含铝合金型材安装底座3006和牵引柔索3005。

铝合金型材安装底座3006呈长条状。在铝合金型材安装底座3006长度方向的一端设有牵引柔索驱动机构1和复位柔索驱动机构2。在铝合金型材安装底座3006的中部设有柔索导向过轮机构3。在铝合金型材安装底座3006的另一端设有转动关节机构4。

牵引柔索3005的一端与牵引柔索驱动机构1相连，复位柔索3004的一端与复位柔索驱动机构2相连。牵引柔索3005与复位柔索3004共同组成钢丝柔索。钢丝柔索穿过柔索导向过轮机构3和转动关节机构4。

所述牵引柔索驱动机构1负责提供牵引柔索3005的驱动拉力，是拉动钢丝柔索的驱动机构。

所述复位柔索驱动机构2负责提供复位柔索3004的复位拉力，是保证钢丝柔索复位张力的驱动机构。

所述柔索导向过轮机构3负责牵引柔索3005和复位柔索3004的导向，实现牵引柔索驱动机构1和复位柔索驱动机构2分别与转动关节机构4连接。

所述转动关节机构4用于安装柔索驱动关节，并进行柔索驱动关节的转角检测与外力测量。

结合图1至4，进一步说，牵引柔索驱动机构1由直流伺服电机1001、电机安装支架1002、联轴器1003、滚珠丝杠支撑座组件1004、滚珠丝杠支撑座安装支架1005、光电开关安装支座1006、光电开关1007、牵引机构光栅读数头安装支架1008、牵引机构光栅读数头1009、光电开关遮光片1010、牵引机构光栅尺安装支架1011、牵引机构微型直线滑轨与滑块1012、牵引机构光栅读尺粘贴面板1013、滚珠丝杠定位座组件1014、滚珠丝杠定位座安装支架1015、通气孔螺钉I1016、滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017、滚珠丝杠与螺母组件1018、驱动机构导轨安装面板1020和驱动机构直线滑轨1019所组成。

其中，直流伺服电机1001通过内六角螺钉安装在电机安装支架1002。电机安装支架1002通过内六角螺钉和方形螺母安装在铝合金型材安装底座3006上表面。直流伺服电机1001前端配备行星减速器，其减速器轴通过联轴器1003和滚珠丝杠与螺母组件1018中的滚珠丝杠输入端联接。滚珠丝杠与螺母组件1018中微型滚珠丝杠的输入端和输出端分别与滚珠丝杠支撑座组件1004和滚珠丝杠定位座组件1014中的深沟球轴承联接。滚珠丝杠支撑座组件1004通过螺钉与滚珠丝杠支撑座安装支架1005相连接，滚珠丝杠定位座组件1014通过螺钉和滚珠丝杠定位座安装支架1015连接。滚珠丝杠与螺母组件1018中螺母和滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017通过内六角螺钉连接。滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017通过螺钉安装在牵引机构微型直线滑轨与滑块1012的滑块上表面，由此保证滚珠丝杠螺母的直线移动。同时，滚珠丝杠支撑座安装支架1005、滚珠丝杠定位座安装支架1015、牵引机构微型直线滑轨与滑块1012中滑轨分别通过螺钉安装在驱动机构导轨安装面板1020上表面。驱动机构导轨安装面板1020与铝合金型材安装底座3006通过内六角螺钉和方螺母连接。牵引机构光栅尺安装支架1011通过螺钉和滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017连接，在牵引机构光栅读尺粘贴面板1013下表面贴附有光栅尺带。在牵引机构光栅读尺粘贴面板1013外侧安装有光电开关遮光片1010。在牵引机构光栅读数头安装支架1008上部安装牵引机构光栅读数头1009。牵引机构光栅读数头安装支架1008通过内六角螺钉和方螺母安装在铝合金型材安装底座3006外侧。光电开关安装支座1006上表面装有光电开关1007。光电开关安装支座1006通过内六角螺钉和方螺母安装在铝合金型材安装底座3006外侧。在滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017上部螺纹孔安装通气孔螺钉I1016，牵引柔索3005穿过通气孔螺钉I1016，并与之固定连接。进一步说，使用铝合金掐头和502胶水将牵引柔索3005与通气孔螺钉I1016粘固。

结合图1、2、5和6，进一步说，复位柔索驱动机构2由复位弹簧联结支架底座2001、内六角螺钉II2002、复位弹簧联结支架2003、复位弹簧2004、复位机构光栅读数头安装支架2005、复位机构光栅读数头2006、复位机构光栅尺安装支架2007、复位柔索与滑块联结支架2008、通气孔螺钉II2009、复位机构前部安装支架2010、复位机构导轨安装面板2011、复位机构滑块2012、复位机构微型直线滑轨2013、复位机构滑轨支架安装螺钉2014、复位机构后部安装支架2015和复位机构直线滑轨安装螺钉2016所组成。

其中，通过内六角螺钉II2002将复位弹簧联结支架2003安装在复位弹簧联结支架底座2001的上表面。复位弹簧2004与复位弹簧联结支架2003连接。复位柔索3004的一端穿过通气孔螺钉II2009后与复位弹簧2004的一端相连接，且复位柔索3004与通气孔螺钉II2009固定连接。优选的方案是，复位柔索3004经由通气孔螺钉II2009且通过502胶水粘固，并与复位弹簧2004连接。复位柔索与滑块联结支架2008通过螺钉安装在复位机构滑块2012的上表面。复位机构微型直线滑轨2013通过螺钉安装在复位机构导轨安装面板2011上。复位机构导轨安装面板2011的一端通过螺钉安装在复位机构前部安装支架2010上，复位机构导轨安装面板2011的另一端安装在复位机构后部安装支架2015的上部。复位弹簧联结支架底座2001、复位机构前部安装支架2010和复位机构后部安装支架2015分别通过内六角螺钉和方螺母安装在铝合金型材安装底座3006上表面。复位柔索与滑块联结支架2008与复位机构光栅尺安装支架2007通过螺钉连接，且在复位机构光栅尺安装支架2007下表面贴附有光栅尺带。复位机构光栅读数头2006通过螺钉安装在复位机构光栅读数头安装支架2005内侧。复位机构光栅读数头安装支架2005通过内六角螺钉和方螺母安装在铝合金型材安装底座3006的外侧。复位弹簧2004给复位柔索3004提供复位张力，即反向驱动力，复位柔索3004的运动会带动复位光栅尺的移动，从而通过复位机构光栅读数头2006检测复位柔索3004的位移量。

结合图1、2和7，进一步说，柔索导向过轮机构3还包括柔索导向轮3001、导向过轮安装螺钉3002和导向过轮安装支架3003。

其中，柔索导向轮3001通过导向过轮安装螺钉3002安装在导向过轮安装支架3003上表面。复位柔索3004和牵引柔索3005分别经由两个柔索导向轮3001增大相对距离，从而满足与牵引柔索驱动机构1和复位柔索驱动机构2的联结尺寸。

结合图1、2、8和9，进一步说，转动关节机构4由单关节操作钳4001、定位支架4002、压力传感器安装底座4003、定位支架安装底座4004、压力传感器安装支架4005、内六角螺钉I4006、压力传感器4007、钢丝柔索掐头4008、圆柱磁体安装支架4009、圆柱磁体4010、微型磁性旋转编码器读数头4011、磁性编码器读数头安装支架4012所组成。

其中，牵引柔索3005的另一端、复位柔索3004的另一端均与钢丝柔索掐头4008相连接。牵引柔索3005和复位柔索3004实为同一根钢丝柔索，穿过钢丝柔索掐头4008，分为两段驱动柔索，即牵引柔索3005和复位柔索3004。钢丝柔索掐头4008与单关节操作钳4001的绳槽通过过盈连接。在单关节操作钳4001内置微型轴承，通过销轴将单关节操作钳4001与定位支架4002连接。定位支架4002和压力传感器安装底座4003通过螺钉均安装在定位支架安装底座4004的上表面，定位支架安装底座4004通过内六角螺钉和方螺母与铝合金型材安装底座3006连接。压力传感器4007安装在压力传感器安装支架4005内侧。压力传感器安装支架4005通过螺钉安装在压力传感器安装底座4003的上表面。压力传感器安装底座4003上的螺纹孔的角度有0°、±15°、±30°和±45°，使得压力传感器4007的安装角度和安装位置均可调节，其中，安装角度有8中选择，安装位置随安装角度改变，方便实验研究。通过圆柱磁体安装支架4009将单关节操作钳4001上端的圆柱磁体安装支架4009与微型磁性旋转编码器的检测元件圆柱磁体4010同轴向连接，微型磁性旋转编码器读数头4011安装在磁性编码器读数头安装支架4012上。优选的方式是通过胶水粘贴。磁性编码器读数头安装支架4012通过螺钉安装在定位支架4002的上表面。微型磁性旋转编码器读数头4011和圆柱磁体4010构成了单关节操作钳4001的转角检测系统，通过单关节操作钳4001与压力传感器4007的接触实现触碰外力的检测。牵引柔索3005和复位柔索3004的张力差和单关节操作钳4001的有效驱动半径决定关节的驱动力矩，此力矩驱动单关节操作钳4001的转动。单关节操作钳4001的转动又带动圆柱磁体4010的转动，从而通过微型磁性旋转编码器读数头4011检测单关节操作钳4001的转角。

更进一步说，单关节操作钳4001的转角范围在±75°之间，转角运动误差在0.1°以内。

更进一步说，复位弹簧2004的初始拉力为20N。滚珠丝杠螺母的移动行程为5mm以内。

更进一步说，牵引柔索3005和复位柔索3004的直径为0.45mm。外力检测角度包括角度有0°、±15°、±30°和±45°，共7种角度和位置。由于集成两套光栅检测系统用于检测牵引和复位柔索的位移变化量，在远端关节集成微型磁性编码器用于检测关节转角检测值，光栅和磁性编码器均为非接触式测量传感器，避免了接触测量附加力的影响，同时压力传感器可以检测关节操作钳与外部的触碰力。本发明可以作为弹性柔索驱动机理、模型辨识与智能控制的综合性实验研究系统，是一种弹性柔索驱动的基础研究实验平台。

采用本发明所述的一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台的检测方法，按如下步骤进行：

步骤1：系统初始化。

步骤2：运行寻找零位程序，控制直流伺服电机1001转动，驱动滚珠丝杠与螺母组件1018中螺母的往复直线移动，带动光电开关遮光片1010移动进入光电开关1007检测有效区域，检测系统运动零位。获得系统零位后，驱动直流伺服电机1001使得单关节操作钳4001运动至0°转角。进一步说，在本步骤中，运行寻找零位程序，具体为：通过控制直流伺服电机1001的转动，驱动滚珠丝杠与螺母组件1018中螺母的往复直线移动，从而拉动牵引柔索3005，同时带动光栅尺的移动，进而通过牵引机构光栅读数头1009检测牵引柔索3005的位移量。同时，滚珠丝杠螺母的运动带动光电开关遮光片1010移动进入光电开关1007检测有效区域时，检测系统运动零位。获得系统零位后，驱动直流伺服电机1001使得单关节操作钳4001运动至0°转角。

步骤3：控制单关节操作钳4001转动，驱动直流伺服电机1001，带动牵引柔索3005驱动单关节操作钳4001转动，通过微型磁性旋转编码器读数头4011测量关节转角检测值，通过光栅读数头检测牵引柔索3005和复位柔索3004的位移量和。进一步说，在本步骤中，输入单关节操作钳4001的关节转角运动轨迹命令，控制系统驱动直流伺服电机1001转动，使得牵引柔索3005驱动单关节操作钳4001转动，通过磁性旋转编码器读数头4011测量单关节操作钳4001的关节转角检测值。同时，滚珠丝杠与螺母组件1018带动牵引光栅尺的移动，复位柔索3004的运动会带动复位光栅尺的移动，从而通过光栅读数头检测牵引柔索3005和复位柔索3004的位移量和。

步骤4：通过建立系统动力学模型，并进行参数辨识，可以获得单关节操作钳4001的关节转角检测值的关节转角估测值传递函数，其输入量为复位柔索3004的位移量，关节转角估测值作为关节转动闭环反馈信号。

步骤5：当单关节操作钳4001在运动过程中触碰压力传感器4007时，检测获得关节外力检测值。通过基于系统外力扰动观测器的估测方法估计关节外力值，作为单关节操作钳4001的力反馈信息。

步骤6：将关节转角检测值与关节转角估测值、牵引柔索位移量、复位柔索位移量、关节外力检测值和关节外力估测值反馈至工控机，供进一步分析或存储。

采用本发明所述的一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台的用途，用于微小型弹性柔索驱动机构的动力学参数辨识与控制实验验证，所提供的检测范围是：单关节操作钳4001的关节转角估测精度在92%至95%之间，关节外力估测精度在80%至90%之间，关节估测外力范围在0.1N至3.0N之间。为了保证运动精度，牵引柔索3005和复位柔索3004在运动时的张力不得小于7.5N。

实施例

如图1和2所示，本发明由牵引柔索驱动机构1、复位柔索驱动机构2、柔索导向过轮机构3、转动关节机构4四部分组成。

结合图3和4，牵引柔索驱动机构1示意图。直流伺服电机1001通过内六角螺钉安装在电机安装支架1002。电机安装支架1002通过内六角螺钉和方形螺母安装在铝合金型材安装底座3006上表面。直流伺服电机1001前端配备行星减速器，其减速器轴通过联轴器1003和滚珠丝杠与螺母组件1018中的滚珠丝杠输入端联接。滚珠丝杠与螺母组件1018中微型滚珠丝杠的输入端和输出端分别与滚珠丝杠支撑座组件1004和滚珠丝杠定位座组件1014中的深沟球轴承联接。滚珠丝杠支撑座组件1004和滚珠丝杠定位座组件1014分别通过螺钉与滚珠丝杠支撑座安装支架1005和滚珠丝杠定位座安装支架1015连接。滚珠丝杠与螺母组件1018中螺母和滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017通过内六角螺钉连接。滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017通过螺钉安装在牵引机构微型直线滑轨与滑块1012的滑块上表面，由此保证滚珠丝杠螺母的直线移动。同时，滚珠丝杠支撑座安装支架1005、滚珠丝杠定位座安装支架1015、牵引机构微型直线滑轨与滑块1012中滑轨分别通过螺钉安装在驱动机构导轨安装面板1020上表面。驱动机构导轨安装面板1020与铝合金型材安装底座3006通过内六角螺钉和方螺母连接。牵引机构光栅尺安装支架1011通过螺钉和滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017连接，在牵引机构光栅读尺粘贴面板1013下表面贴附光栅尺带。在牵引机构光栅读尺粘贴面板1013外侧安装光电开关遮光片1010。牵引机构光栅读数头安装支架1008上部安装牵引机构光栅读数头1009。牵引机构光栅读数头安装支架1008通过内六角螺钉和方螺母安装在铝合金型材安装底座3006外侧。光电开关安装支座1006上表面装有光电开关1007。光电开关安装支座1006通过内六角螺钉和方螺母安装在铝合金型材安装底座3006外侧。在滚珠丝杠螺母与滑块联结支架1017上部螺纹孔安装通气孔螺钉I1016，牵引柔索3005穿过通气孔螺钉I1016，并使用铝合金掐头和502胶水粘固。通过控制直流伺服电机1001的转动，可以驱动滚珠丝杠与螺母组件1018中螺母的往复直线移动，从而拉动牵引柔索3005，同时带动光栅尺的移动，进而通过牵引机构光栅读数头1009检测牵引柔索3005的位移量。同时，滚珠丝杠螺母的运动带动光电开关遮光片1010的移动，当进入光电开关1007检测有效区域时，可以检测系统运动零位。

结合图5和6，复位柔索驱动机构2示意图。复位弹簧联结支架底座2001上表面通过内六角螺钉II2002安装复位弹簧联结支架2003。复位弹簧2004与复位弹簧联结支架2003连接。复位柔索3004经由通气孔螺钉II2009且通过502胶水粘固，并与复位弹簧2004连接。复位柔索与滑块联结支架2008通过螺钉安装在复位机构滑块2012上表面。复位机构微型直线滑轨2013通过螺钉安装在复位机构导轨安装面板2011。复位机构导轨安装面板2011通过螺钉安装在复位机构前部安装支架2010和复位机构后部安装支架2015上部。复位弹簧联结支架底座2001、复位机构前部安装支架2010和复位机构后部安装支架2015分别通过内六角螺钉和方螺母安装在铝合金型材安装底座3006上表面。复位柔索与滑块联结支架2008与复位机构光栅尺安装支架2007通过螺钉连接，且在复位机构光栅尺安装支架2007下表面贴附光栅尺带。复位机构光栅读数头2006通过螺钉安装在复位机构光栅读数头安装支架2005内侧。复位机构光栅读数头安装支架2005通过内六角螺钉和方螺母安装在铝合金型材安装底座3006外侧。复位弹簧2004给复位柔索3004提供复位张力，即反向驱动力，复位柔索3004的运动会带动复位光栅尺的移动，从而通过复位机构光栅读数头2006检测复位柔索3004的位移量。

参考图7，柔索导向过轮机构3示意图。柔索导向轮3001通过导向过轮安装螺钉3002安装在导向过轮安装支架3003上表面。复位柔索3004和牵引柔索3005分别经由两个柔索导向轮3001增大相对距离，从而满足与牵引柔索驱动机构1和复位柔索驱动机构2的联结尺寸。

结合图8和9，转动关节机构4示意图。牵引柔索3005和复位柔索3004为同一根钢丝柔索，通过钢丝柔索掐头4008分成牵引和复位两段柔索。钢丝柔索掐头4008与单关节操作钳4001的绳槽通过过盈连接。在单关节操作钳4001内置微型轴承，通过销轴与定位支架4002连接。定位支架4002和压力传感器安装底座4003通过螺钉安装在定位支架安装底座4004上表面，定位支架安装底座4004通过内六角螺钉和方螺母与铝合金型材安装底座3006连接。压力传感器4007安装在压力传感器安装支架4005内侧。压力传感器安装支架4005通过螺钉安装在压力传感器安装底座4003上表面。压力传感器安装底座4003上的螺纹孔的角度有0°、±15°、±30°和±45°，使得压力传感器4007的安装角度和安装位置均可调节，其中，安装角度有8中选择，安装位置随安装角度改变，方便实验研究。通过圆柱磁体安装支架4009将单关节操作钳4001的上端圆柱磁体安装支架4009与微型磁性旋转编码器的检测元件圆柱磁体4010同轴向连接，微型磁性旋转编码器读数头4011通过胶水粘贴在磁性编码器读数头安装支架4012。磁性编码器读数头安装支架4012通过螺钉安装在定位支架4002上表面。微型磁性旋转编码器读数头4011和圆柱磁体4010构成了单关节操作钳4001的转角检测系统，通过单关节操作钳4001与压力传感器4007的接触实现触碰外力的检测。牵引柔索3005和复位柔索3004的张力差和单关节操作钳4001的有效驱动半径决定关节的驱动力矩，此力矩驱动单关节操作钳4001的转动。单关节操作钳4001的转动又带动圆柱磁体4010的转动，从而通过微型磁性旋转编码器读数头4011检测单关节操作钳4001的转角。

结合图1至图9，对弹性柔索驱动单关节实验测试平台的功能进行总体说明。牵引柔索驱动机构1中直流伺服电机1001通过驱动滚珠丝杠与螺母1018，带动牵引柔索3005的移动。同时，复位柔索驱动机构2中复位弹簧2004提供复位柔索3004的反向驱动拉力。“直流伺服电机1001→滚珠丝杠与螺母1018→牵引柔索3005→柔索导向轮3001→牵引柔索3005→单关节操作钳4001→复位柔索3004→柔索导向轮3001→复位柔索3004→复位弹簧2004”构成整体驱动系统的传动架构，牵引柔索和复位柔索的张力差和单关节操作钳的有效驱动半径功能决定了关节驱动力矩，并通过光栅检测系统检测滚珠丝杠、牵引柔索、复位柔索和复位弹簧的位移变化量，通过微型磁性编码器检测关节转角检测值，位移和转角的精确测量值可以为弹性柔索驱动单关节系统的动力学模型参数辨识提供输入信息，通过系统辨识获得的高精度动力学模型，可以实现对柔索驱动系统的智能控制。因此，本发明弹性柔索驱动单关节实验测试平台可以作为弹性柔索驱动机理、模型辨识与智能控制的综合性实验研究系统，是一种弹性柔索驱动的基础研究实验平台。

Claims (2)

1.一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台，其特征是：由牵引柔索驱动机构(1)、复位柔索驱动机构(2)、柔索导向过轮机构(3)和转动关节机构(4)四部分组成；其中，柔索导向过轮机构(3)包含铝合金型材安装底座(3006)和牵引柔索(3005)；

在铝合金型材安装底座(3006)长度方向的一端设有牵引柔索驱动机构(1)和复位柔索驱动机构(2)；在铝合金型材安装底座(3006)的中部设有柔索导向过轮机构(3)；在铝合金型材安装底座(3006)的另一端设有转动关节机构(4)；

所述牵引柔索驱动机构(1)负责提供牵引柔索(3005)的驱动拉力；所述复位柔索驱动机构(2)负责提供复位柔索(3004)的复位拉力；所述柔索导向过轮机构(3)负责牵引柔索(3005)和复位柔索(3004)的导向；牵引柔索驱动机构(1)由直流伺服电机(1001)、电机安装支架(1002)、联轴器(1003)、滚珠丝杠支撑座组件(1004)、滚珠丝杠支撑座安装支架(1005)、光电开关安装支座(1006)、光电开关(1007)、牵引机构光栅读数头安装支架(1008)、牵引机构光栅读数头(1009)、光电开关遮光片(1010)、牵引机构光栅尺安装支架(1011)、牵引机构微型直线滑轨与滑块(1012)、牵引机构光栅读尺粘贴面板(1013)、滚珠丝杠定位座组件(1014)、滚珠丝杠定位座安装支架(1015)、通气孔螺钉I(1016)、滚珠丝杠螺母与滑块联结支架(1017)、滚珠丝杠与螺母组件(1018)、驱动机构导轨安装面板(1020)和驱动机构直线滑轨(1019)所组成；

其中，直流伺服电机(1001)安装在电机安装支架(1002)；电机安装支架(1002)安装在铝合金型材安装底座(3006)上；直流伺服电机(1001)通过联轴器(1003)和滚珠丝杠与螺母组件(1018)中的滚珠丝杠输入端联接；滚珠丝杠与螺母组件(1018)中微型滚珠丝杠的输入端和输出端分别与滚珠丝杠支撑座组件(1004)和滚珠丝杠定位座组件(1014)中的深沟球轴承联接；滚珠丝杠支撑座组件(1004)与滚珠丝杠支撑座安装支架(1005)相连接，滚珠丝杠定位座组件(1014)和滚珠丝杠定位座安装支架(1015)连接；滚珠丝杠与螺母组件(1018)同滚珠丝杠螺母与滑块联结支架(1017)连接；滚珠丝杠螺母与滑块联结支架(1017)安装在牵引机构微型直线滑轨与滑块(1012)的滑块上；同时，滚珠丝杠支撑座安装支架(1005)、滚珠丝杠定位座安装支架(1015)、牵引机构微型直线滑轨与滑块(1012)中滑轨分别安装在驱动机构导轨安装面板(1020)上表面；驱动机构导轨安装面板(1020)与铝合金型材安装底座(3006)连接；牵引机构光栅尺安装支架(1011)和滚珠丝杠螺母与滑块联结支架(1017)连接，在牵引机构光栅读尺粘贴面板(1013)下表面贴附有光栅尺带；在牵引机构光栅读尺粘贴面板(1013)外侧安装有光电开关遮光片(1010)；在牵引机构光栅读数头安装支架(1008)上部安装牵引机构光栅读数头(1009)；牵引机构光栅读数头安装支架(1008)安装在铝合金型材安装底座(3006)外侧；光电开关安装支座(1006)上表面装有光电开关(1007)；光电开关安装支座(1006)安装在铝合金型材安装底座(3006)外侧；在滚珠丝杠螺母与滑块联结支架(1017)上部安装通气孔螺钉I(1016)，牵引柔索(3005)穿过通气孔螺钉I(1016)，并与之固定连接；

转动关节机构(4)由单关节操作钳(4001)、定位支架(4002)、压力传感器安装底座(4003)、定位支架安装底座(4004)、压力传感器安装支架(4005)、内六角螺钉I(4006)、压力传感器(4007)、钢丝柔索掐头(4008)、圆柱磁体安装支架(4009)、圆柱磁体(4010)、微型磁性旋转编码器读数头(4011)、磁性编码器读数头安装支架(4012)所组成；

其中，牵引柔索(3005)的另一端、复位柔索(3004)的另一端均与钢丝柔索掐头(4008)相连接；钢丝柔索掐头(4008)与单关节操作钳(4001)的绳槽通过过盈连接；单关节操作钳(4001)与定位支架(4002)连接；定位支架(4002)和压力传感器安装底座(4003)均安装在定位支架安装底座(4004)的上表面，定位支架安装底座(4004)与铝合金型材安装底座(3006)连接；压力传感器(4007)安装在压力传感器安装支架(4005)内侧；压力传感器安装支架(4005)安装在压力传感器安装底座(4003)的上表面；通过圆柱磁体安装支架(4009)将单关节操作钳(4001)上端的圆柱磁体安装支架(4009)与检测元件圆柱磁体(4010)同轴向连接，微型磁性旋转编码器读数头(4011)安装在磁性编码器读数头安装支架(4012)上；磁性编码器读数头安装支架(4012)安装在定位支架(4002)的上表面；微型磁性旋转编码器读数头(4011)和圆柱磁体(4010)构成了单关节操作钳(4001)的转角检测系统，通过单关节操作钳(4001)与压力传感器(4007)的接触实现触碰外力的检测；

单关节操作钳(4001)的关节转角估测精度在92％至95％之间，关节外力估测精度在80％至90％之间，关节估测外力范围在0.1N至3.0N之间；为了保证运动精度，牵引柔索3005和复位柔索3004在运动时的张力不得小于7.5N。

2.采用权利要求1所述的一种弹性柔索驱动单关节实验测试平台的检测方法，其特征在于：按如下步骤进行：

步骤1：系统初始化；

步骤2：控制直流伺服电机(1001)转动，驱动滚珠丝杠与螺母组件(1018)中螺母的往复直线移动，带动光电开关遮光片(1010)移动进入光电开关(1007)检测有效区域，检测系统运动零位；获得系统零位后，驱动直流伺服电机(1001)使得单关节操作钳(4001)运动至0°转角；

步骤3：控制单关节操作钳(4001)转动，驱动直流伺服电机(1001)，带动牵引柔索(3005)驱动单关节操作钳(4001)转动，通过微型磁性旋转编码器读数头(4011)测量关节转角检测值θ，通过光栅读数头检测牵引柔索(3005)和复位柔索(3004)的位移量x₁和x₂；

步骤4：通过建立系统动力学模型，并进行参数辨识，可以获得单关节操作钳(4001)的关节转角检测值θ的转角估测值

传递函数，其输入量为复位柔索(3004)的位移量x₂，转角估测值

作为关节转动闭环反馈信号；

步骤5：当单关节操作钳(4001)在运动过程中触碰压力传感器(4007)时，检测获得关节外力检测值F_ext；通过基于系统外力扰动观测器的估测方法获得关节外力估测值

作为单关节操作钳(4001)的力反馈信息；

步骤6：将关节转角检测值θ与关节转角估测值

牵引柔索位移量x₁、复位柔索位移量x₂、关节外力检测值F_ext和关节外力估测值

反馈至工控机，供进一步分析或存储。

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