CN108426728B - 一种用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统，包括台架，其特征在于，所述台架的底板处通过丝杆驱动机构支撑有一个升降板，所述升降板上固定安装有一个待测的机器人腿模块，所述升降板上位于磁铁槽的两侧分别通过一个支架支撑设置有一个电磁场发生器。本发明能够对采用磁制冷的机器人腿关节完成目标试验，即对磁场、载重和摩擦三种变量对关节冷却效果的影响作出测试，且测试过程中不会带入动力源的热侵扰及试验台机构摩擦损耗侵扰，能够对机器人腿结构的研发提供有效的试验信息。

Description

一种用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统

【技术领域】

本发明涉及机器人试验设备的技术领域，特别是涉及一种用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统。

【背景技术】

机器人技术发展现状中，其移动方式主要有两种：一种是采用轮足或履带结构驱动，另一种是仿生行走方式，后者因具有非连续接触特性，在地面不平或有障碍物等恶劣环境下更具优势，是当前的研究热点。机器人腿结构是属于上述仿生行走研究中的一个重要领域，但是研究多集中在力传递、振动和稳定性控制等方向，在机器人腿关节温度控制方面的研究仅局限于采用伺服电机对关节进行直驱的结构中，而实际上在采用直线驱动器对上下肢进行驱动的结构方式中，关节摩擦温度的控制同样不可忽略，目前鲜有相关技术的文献，可检索的温控方案，结构均过于冗杂，而对直线驱动器型机器人腿关节提供封闭式冷却，能够满足仿生机器人腿为适应复杂环境而需要的结构简洁性条件。

具有密封冷却关节的机器人腿结构，通过位于机器人上肢或下肢内的特定的冷却方式来提供冷却，如采用磁制冷方式，具有无磨损、静音等多种优点，然而在测试阶段，采用磁制冷的机器人腿结构中，磁场性能对关节冷却的影响关系、磁制冷过程中设计不当引入的摩擦能耗定量计算、外部动力源产生的温升干扰等，均是试验阶段的重要待测因素，然而现有技术中并没有此类磁冷却机器人腿结构，也没有针对此类机器人腿的测试系统，所以在开发机器人腿过程中，无法准确控制外部因素，无法对重要变量提供准确的测量，阻碍了开发的进度。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统，能够对采用磁制冷的机器人腿关节完成目标试验，即对磁场、载重和摩擦三种变量对关节冷却效果的影响作出测试，且测试过程中不会带入动力源的热侵扰及试验台机构摩擦损耗侵扰，能够对机器人腿结构的研发提供有效的试验信息。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统，包括台架，其特征在于，所述台架的底板处通过丝杆驱动机构支撑有一个升降板，所述升降板上固定安装有一个待测的机器人腿模块，所述机器人腿模块包含有铰接的下肢、上肢和连接上肢与下肢的关节，所述下肢底部固定连接在升降板上，所述上肢上铰接有一个滑座，所述滑座的上端两侧设置有承靠边，所述承靠边之间形成有滑槽，台架的顶板上的线轨可滑动的连接在滑槽中；所述台架的顶板与水平面呈倾斜姿态，位于台架的顶板上的线轨两端处分别设置有一个承重施力装置，所述承重施力装置上分别设置有相对布置的第一电磁铁和第二电磁铁，所述滑座的前后两端分别设置有磁钢槽，并在磁钢槽内压入磁钢块，且每个磁钢块的中心和电磁铁的铁芯中心均位于同一直线上，所述滑座上还设置有轴承孔，所述上肢顶端设置有转轴，转轴与滑座通过设置在轴承孔中的径向磁浮轴承铰接；所述机器人腿模块还包括固定端与伸缩端分别与上肢和下肢铰接的气压缸，所述下肢中心处沿长度方向设置有热交换仓，所述热交换仓内插接有第一换热杆和与第一换热杆底端装配约束的第二换热杆，所述第一换热杆上端通过一个连杆连接着所述关节，所述下肢的两个侧壁上对称设置有磁铁槽，所述下肢的任意侧壁上还设置有一个风扇槽，所述风扇槽与热交换仓的下部之间通过一个位于下肢本体上的风道连通，所述风扇槽内设置有排气风扇，所述第一换热杆的底端设置有台阶板，所述第二换热杆内部为中空仓，所述台阶板可在第二换热杆的中空仓内移动，第二换热杆为磁冷工质材料；所述升降板上位于磁铁槽的两侧分别通过一个支架支撑设置有一个电磁场发生器，所述电磁场发生器的磁极对应在磁铁槽处；下肢顶部设置有铰链座，所述下肢顶部靠近铰链座的侧边设置有一个贯通至热交换仓内的通孔，在通孔内固定安装有一个压力传感器，所述压力传感器的前端与热交换仓的内壁齐平；所述关节内插接有一个热电偶。

作为优选，所述第二换热杆与热交换仓的内壁之间设有间隙，当上肢和下肢之间的夹角增大时，第一换热杆下移，此时第二换热杆失去第一换热杆的约束后，能够通过重力作用而同步下移。

作为优选，所述第二换热杆向下落到热交换仓的底部后，第一换热杆随上肢和下肢夹角的继续增大而在第二换热杆的中空仓内继续向下滑动，在第一换热杆底端的台阶板与第二换热杆顶端之间形成隔热空隙，第一换热杆的台阶板侧边长度小于中空仓的内侧边长。

作为优选，所述承重施力装置两侧分别设置有冷却通孔，两个承重施力装置对应的冷却通孔之间通过冷却管连接，其中，冷却通孔上端分别连接有第一冷却管，两个承重施力装置对应的第一冷却管之间通过第一三通接头连接，两个第一三通接头之间通过一根具有第二三通接头的第二冷却管连接，所述台架的顶板上还设置有冷却水箱，所述第二冷却管的末端连接至冷却水箱中的水泵中；靠近冷却水箱的所述冷却通孔下端通过第三冷却管连接至冷却水箱，远离冷却水箱的冷却通孔下端分别通过第四冷却管连接至冷却水箱。

作为优选，所述升降板升至设定的行程上限时，下肢和上肢的夹角最小，此时滑座外侧端的磁钢块端部与位于台架外侧边的电磁铁的磁极之间的距离小于1mm；所述升降板降落至设定的行程下限时，下肢和上肢的夹角最大，此时滑座内侧端的磁钢块端部与位于台架内侧边的电磁铁的磁极之间的距离小于1mm；第一电磁铁和第二电磁铁分别与对应的磁钢块同极相对。

作为优选，两个所述电磁场发生器异极相对。

本发明的有益效果：本发明创造性的设计了一种台架，通过将台架顶倾斜，并在底部设置升降机构，从而可以对具有上肢和下肢的机器人腿进行一端固定、一端定向移动，基于倾斜的台架顶板结构，通过继续增加具有电磁铁的承重施力装置后，能够通过电控的方式对机器人腿模拟施加承重力；在磁铁槽处设置磁场发生器，可以无极调节外置场强，便于不停机的连续测试不同场强对关节的磁制冷效果；通过在摩擦力最集中的热交换仓壁面上设置压力传感器，能够通过压力数据推导处摩擦力数据，决绝了热交换仓内狭小空间不便于检测摩擦力的难题，丰富了实验数据的维度。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明正视图；

图3是图2中A部放大图；

图4是本发明中滑座的结构示意图

图5是本发明中机器人腿模块的整体结构示意图；

图6是本发明中下肢的部分结构示意图；

图7是本发明中下肢的正视图；

图8是图7中B-B剖视图；

图9是图8中C部放大图；

图10是实施例中机器人腿模块的一种工作状态示意图。

图中：1-台架、2-升降板、3-丝杆驱动机构、4-机器人腿模块、5-电磁场发生器、6-承重施力装置、7-第一冷却管、8-第四冷却管、9-第二冷却管、10-第三冷却管、11-冷却水箱、12-第一电磁铁、13-第二电磁铁、14-滑座、15-径向磁浮轴承、16-线轨、2a-支架、4a-下肢、4b-上肢、4c-气压缸、4d-第一换热杆、4e-连杆、4f-关节、4g-第二换热杆、4h-排气风扇、4i-隔热空隙、4j-转轴、4a1-磁铁槽、4a2-热交换仓、4a3-压力传感器、14a-承靠边、14b-滑槽、14c-磁钢槽、14d-轴承孔、14e-磁钢块。

【具体实施方式】

一种用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统，包括台架1，其特征在于，所述台架1的底板处通过丝杆驱动机构3支撑有一个升降板2，所述升降板2上固定安装有一个待测的机器人腿模块4，所述机器人腿模块4包含有铰接的下肢4a、上肢4b和连接上肢与下肢的关节4f，所述下肢底部固定连接在升降板上，所述上肢4b上铰接有一个滑座14，所述滑座的上端两侧设置有承靠边14a，所述承靠边14a之间形成有滑槽14b，台架1的顶板上的线轨16可滑动的连接在滑槽14b中；所述台架的顶板与水平面呈倾斜姿态，位于台架的顶板上的线轨16两端处分别设置有一个承重施力装置6，所述承重施力装置上分别设置有相对布置的第一电磁铁12和第二电磁铁13，所述滑座14的前后两端分别设置有磁钢槽14c，并在磁钢槽内压入磁钢块14e，且每个磁钢块的中心和第一电磁铁及第二电磁铁的铁芯中心均位于同一直线上，所述滑座上还设置有轴承孔14d，所述上肢顶端设置有转轴4j，转轴与滑座通过设置在轴承孔14d中的径向磁浮轴承15铰接；所述机器人腿模块4还包括固定端与伸缩端分别与上肢和下肢铰接的气压缸4c，所述下肢的中心处沿长度方向设置有热交换仓4a2，所述热交换仓内插接有第一换热杆4d和与第一换热杆底端装配连接的第二换热杆4g，所述第一换热杆上端通过一个连杆4e连接着所述关节4f，所述下肢的两个侧壁上对称设置有磁铁槽4a1，所述下肢的任意侧壁上还设置有一个风扇槽，所述风扇槽与热交换仓4a2的下部之间通过一个位于下肢本体上的风道连通，所述风扇槽内设置有排气风扇4h，所述第一换热杆的底端设置有台阶板，所述第二换热杆内部为中空仓，所述台阶板可在第二换热杆的中空仓内移动，第二换热杆为磁冷工质材料；所述升降板2上位于磁铁槽4a1的两侧分别通过一个支架2a支撑设置有一个电磁场发生器5，所述电磁场发生器5的磁极对应在磁铁槽4a1处；下肢顶部设置有铰链座，用以连接上肢和下肢，所述下肢顶部靠近铰链座的侧边设置有一个贯通至热交换仓内的通孔，在通孔内固定安装有一个压力传感器4a3，所述压力传感器的前端与热交换仓的内壁齐平；压力传感器设置在该处是因为在本技术方案所陈述的结构特征中，上肢和下肢相对转动时，第二换热杆受拉力的方向朝向该通孔一侧的上方，产生的拉力分力形成的摩擦力突出体现在铰链座一侧的热交换仓内壁上，所以需要对热交换仓的该侧内壁进行摩擦力检测，而压力传感器可以通过简单的计算，换算出摩擦力值；所述关节内插接有一个热电偶，此处热电偶呈棒状，直接插接在关节端部开设的深孔中，并填入环氧树脂进行固化，通过热电偶检测关节内部温度，检测的温度变化是贯穿实验始终的重要参数。

电磁场发生器5为外购，本实施例中选用力田品牌的PEM系列，电磁场发生器的选型可根据实际尺寸需求和实验数据范围需求灵活选择。

所述第二换热杆与热交换仓的内壁之间设有间隙，当上肢和下肢之间的夹角增大时，第一换热杆下移，此时第二换热杆失去第一换热杆的约束后，能够通过重力作用而同步下移。

所述第二换热杆向下落到热交换仓的底部后，第一换热杆随上肢和下肢夹角的继续增大而在第二换热杆的中空仓内继续向下滑动，在第一换热杆底端的台阶板与第二换热杆顶端之间形成隔热空隙4i，第一换热杆的台阶板侧边长度小于中空仓的内侧边长。

所述承重施力装置6两侧分别设置有冷却通孔，两个承重施力装置对应的冷却通孔之间通过冷却管连接，其中，冷却通孔上端分别连接有第一冷却管7，两个承重施力装置对应的第一冷却管7之间通过第一三通接头连接，两个第一三通接头之间通过一根具有第二三通接头的第二冷却管连接，所述台架的顶板上还设置有冷却水箱11，所述第二冷却管9的末端连接至冷却水箱中的水泵中；靠近冷却水箱的冷却通孔下端通过第三冷却管10连接至冷却水箱，远离冷却水箱的冷却通孔下端分别通过第四冷却管8连接至冷却水箱。

所述升降板升至设定的行程上限时，下肢和上肢的夹角最小，此时滑座外侧端的磁钢块端部与位于台架外侧边的第一电磁铁12的磁极之间的距离小于1mm；所述升降板降落至设定的行程下限时，下肢和上肢的夹角最大，此时滑座内侧端的磁钢块端部与位于台架内侧边的第二电磁铁13的磁极之间的距离小于1mm；第一电磁铁和第二电磁铁分别与对应的磁钢块同极相对。

两个所述电磁场发生器异极相对，使得热交换仓内形成一个单向的磁场空间；根据磁冷原理，当冷工质材料的第二换热杆落入磁场空间时，第二换热杆放热，放出的热量被排气风扇排出热交换仓；当第一换热杆带动第二换热杆上升并脱离磁场空间时，第二换热杆吸收热量，从而通过第一换热杆、连杆的传导作用，使得关节因摩擦而产生的热量导入第二换热杆上。

本申请技术方案所提出的试验系统，

设：热交换仓内磁场变化为H，关节温升为T，上肢受阻力为F；

能够完成的测试内容有：

1)F固定，H变化与T的关系；

2)H固定，F变化与T的关系；

上肢受阻力F通过第一电磁铁和第二电磁铁与对应的磁钢块之间的斥力产生，由于设置了具有倾斜顶板的台架，所以F值具有垂直方向上的分量，可以模拟载重，此外，单从关节受力会增加生热的因素看，F值的整体均为有效的阻力。

由于该试验系统引入压力传感器检测热交换仓内的第二换热杆对热交换仓内壁产生的压力，从而根据摩擦系数，求得摩擦力，进而求得摩擦功耗Q，通过测试获取Q值，可进一步指导机器人腿的结构优化，从而提高第二换热杆的换热效率。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统，包括台架，其特征在于：所述台架的底板处通过丝杆驱动机构支撑有一个升降板，所述升降板上固定安装有一个待测的机器人腿模块，所述机器人腿模块包含有铰接的下肢、上肢和连接上肢与下肢的关节，所述下肢底部固定连接在升降板上，所述上肢上铰接有一个滑座，所述滑座的上端两侧设置有承靠边，所述承靠边之间形成有滑槽，台架的顶板上的线轨可滑动的连接在滑槽中；所述台架的顶板与水平面呈倾斜姿态，位于台架的顶板上的线轨两端处分别设置有一个承重施力装置，所述承重施力装置上分别设置有相对布置的第一电磁铁和第二电磁铁，所述滑座的前后两端分别设置有磁钢槽，并在磁钢槽内压入磁钢块，且每个磁钢块的中心和电磁铁的铁芯中心均位于同一直线上，所述滑座上还设置有轴承孔，所述上肢顶端设置有转轴，转轴与滑座通过设置在轴承孔中的径向磁浮轴承铰接；所述机器人腿模块还包括固定端与伸缩端分别与上肢和下肢铰接的气压缸，所述下肢中心处沿长度方向设置有热交换仓，所述热交换仓内插接有第一换热杆和与第一换热杆底端装配约束的第二换热杆，所述第一换热杆上端通过一个连杆连接着所述关节，所述下肢的两个侧壁上对称设置有磁铁槽，所述下肢的任意侧壁上还设置有一个风扇槽，所述风扇槽与热交换仓的下部之间通过一个位于下肢本体上的风道连通，所述风扇槽内设置有排气风扇，所述第一换热杆的底端设置有台阶板，所述第二换热杆内部为中空仓，所述台阶板可在第二换热杆的中空仓内移动，第二换热杆为磁冷工质材料；所述升降板上位于磁铁槽的两侧分别通过一个支架支撑设置有一个电磁场发生器，所述电磁场发生器的磁极对应在磁铁槽处；下肢顶部设置有铰链座，所述下肢顶部靠近铰链座的侧边设置有一个贯通至热交换仓内的通孔，在通孔内固定安装有一个压力传感器，所述压力传感器的前端与热交换仓的内壁齐平；所述关节内插接有一个热电偶。

2.如权利要求1所述的用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统，其特征在于：所述第二换热杆与热交换仓的内壁之间设有间隙，当上肢和下肢之间的夹角增大时，第一换热杆下移，此时第二换热杆失去第一换热杆的约束后，能够通过重力作用而同步下移。

3.如权利要求1所述的用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统，其特征在于：所述第二换热杆向下落到热交换仓的底部后，第一换热杆随上肢和下肢夹角的继续增大而在第二换热杆的中空仓内继续向下滑动，在第一换热杆底端的台阶板与第二换热杆顶端之间形成隔热空隙，第一换热杆的台阶板侧边长度小于中空仓的内侧边长。

4.如权利要求1所述的用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统，其特征在于：所述承重施力装置两侧分别设置有冷却通孔，两个承重施力装置对应的冷却通孔之间通过冷却管连接，其中，冷却通孔上端分别连接有第一冷却管，两个承重施力装置对应的第一冷却管之间通过第一三通接头连接，两个第一三通接头之间通过一根具有第二三通接头的第二冷却管连接，所述台架的顶板上还设置有冷却水箱，所述第二冷却管的末端连接至冷却水箱中的水泵中；靠近冷却水箱的所述冷却通孔下端通过第三冷却管连接至冷却水箱，远离冷却水箱的冷却通孔下端分别通过第四冷却管连接至冷却水箱。

5.如权利要求1所述的用于机器人腿部关节温控的末端牵引试验系统，其特征在于：所述升降板升至设定的行程上限时，下肢和上肢的夹角最小，此时滑座外侧端的磁钢块端部与位于台架外侧边的电磁铁的磁极之间的距离小于1mm；所述升降板降落至设定的行程下限时，下肢和上肢的夹角最大，此时滑座内侧端的磁钢块端部与位于台架内侧边的电磁铁的磁极之间的距离小于1mm；第一电磁铁和第二电磁铁分别与对应的磁钢块同极相对。