CN108709683B - 面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台 - Google Patents

面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台 Download PDF

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Abstract

面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，属于关节力矩传感器动态测试领域。解决了现有的测试平台仅能用于标定柔性元件的静态刚度和静态阻尼特性，无法进行动态刚度和动态阻尼特性的测试，导致测试平台的测试准确度低，且影响测试平台对大柔性力矩传感器偏载特性的测试精度的问题。驱动组件的输出的动力依次经通过主联轴器、力矩校验传感器、副联轴器和主动轴传递到传动轴上，传动轴带动待测定力矩传感器的内圈转动，转角测量组件测量内圈的转角，力矩校验传感器用于检测驱动组件的输出的力矩。本发明主要对模块化关节的柔性力矩传感器进行动态测试。

Description

面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台
技术领域
本发明属于关节力矩传感器动态测试领域。
背景技术
随着机器人技术的发展，人机协作型机械臂得到了越来越多的关注，柔性关节作为人机协作型机械臂中重要的一环，对保障人类的安全起到了重要的作用，通过在机器人关节外侧连接具有柔性的力矩传感器，既起到了传递和测量力矩的作用，又减小了机器人的输出阻抗，提高了机器人的安全性。采用该技术的核心问题之一就是柔性力矩传感器的标定与综合精度测试。
现有的测试平台进行动态测试时，只能使力矩传感器的内圈转动，从而评定柔性力矩传感器的动态刚度和动态阻尼特性，无法模拟实际情况中柔性力矩传感器的内圈和外圈同时转动的情况，导致动态特性测试精度低，该种测试方式并非严格意义上的动态测试，实际情况中评定柔性力矩传感器的动态测试时，柔性力矩传感器的外圈也受到外力作用。
现有的测试平台仅能用于标定柔性元件的静态刚度和静态阻尼特性，无法进行动态刚度和动态阻尼特性的测试，导致测试平台的测试准确度低，且影响测试平台对大柔性力矩传感器偏载特性的测试精度。因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明是为了解决现有的测试平台仅能用于标定柔性元件的静态刚度和静态阻尼特性，无法进行动态刚度和动态阻尼特性的测试，导致测试平台的测试准确度低，且影响测试平台对大柔性力矩传感器偏载特性的测试精度的问题。本发明提供了面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台。
面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，包括底座7，以及同轴设置的驱动组件1、力矩校验传感器2、动力传递组件、工件固定座4和转角测量组件6；
工件固定座4用于固定待测定力矩传感器8，且工件固定座4通过螺栓固定在底座7上；
驱动组件1、力矩校验传感器2、待测定力矩传感器8和转角测量组件6依次同轴设置在底座7上方；且驱动组件1和转角测量组件6均通过一个支撑座9固定在底座7上；
驱动组件1带动力矩校验传感器2、待测定力矩传感器8和转角测量组件6转动；
力矩校验传感器2用于测量驱动组件1输出力矩；
动态测试平台还包括加载轮5、滑动轮11和空心轴10；
动力传递组件包括主联轴器3-1、副联轴器3-2、主动轴3-3和传动轴3-4；
驱动组件1的输出轴通过主联轴器3-1与力矩校验传感器2的一端面固定连接，力矩校验传感器2的另一端面依次通过副联轴器3-2、主动轴3-3和传动轴3-4的一个端面与待测定力矩传感器8的内圈8-1的一个端面固定连接；
空心轴10套接在传动轴3-4上，空心轴10的一个端面与待测定力矩传感器8的外圈8-2的一个端面固定连接；
空心轴10通过轴承14与工件固定座4转动连接；
滑动轮11固定在底座7上，且滑动轮11上缠绕有钢丝绳12，钢丝绳12的一端用于悬挂负载，其另一端用于固定在加载轮5上；
加载轮5通过平键13固定在空心轴10上；
转角测量组件6用于测量待测定力矩传感器8的内圈转角和外圈转角。
优选的是，转角测量组件6包括内圈编码器6-1、外圈空心轴编码器6-2、内圈转角测量轴6-3和外圈转角测量轴6-4；
内圈转角测量轴6-3的一端嵌固在待测定力矩传感器8的内圈8-1中，且该端的端面与传动轴3-4的另一个端面固定连接；
内圈转角测量轴6-3的另一个端通过编码器联轴器6-5与内圈编码器6-1的输入轴连接；
外圈转角测量轴6-4套在内圈转角测量轴6-3上，二者转动连接；
外圈转角测量轴6-4的一端与待测定力矩传感器8的外圈8-2的另一个端面固定连接；
外圈空心轴编码器6-2套接在外圈转角测量轴6-4上，且外圈转角测量轴6-4带动外圈空心轴编码器6-2同步转动。
优选的是，主联轴器3-1和副联轴器3-2为膜片式联轴器。
优选的是，空心轴10的一个端面固定在工件固定座4上，且待测定力矩传感器8为待标定力矩传感器。
优选的是，工件固定座4的中间带有容纳空间的凹口，加载轮5位于凹口内，且加载轮5的左右两个侧面与凹口的相应侧面间挤压有密封圈垫，对加载轮5进行轴向固定。
优选的是，驱动组件1包括固定在支撑座9上的伺服电机1-1和谐波减速器1-2；
伺服电机1-1的输出轴与谐波减速器1-2的输入轴固定连接，谐波减速器1-2的输出轴与主联轴器3-1的一端固定连接；
谐波减速器1-2的输出轴作为驱动组件1的输出轴。
优选的是，待测定力矩传感器8为已标定力矩传感器。
本发明带来的有益效果是，本发明所述面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台可以用于大柔性力矩传感器的静态刚度与阻尼特性的标定、还可用于对大柔性力矩传感器综合精度的动态测试和偏载对大柔性力矩传感器精度影响的测试，测试精度提高了20％以上。
为尽可能模拟大柔性力矩传感器在机器人关节中的实际位置：大柔性力矩传感器装配于关节外侧、内圈连接输入法兰、外圈连接输出法兰、关节偏载施加于外圈上，本发明采用了空心轴的结构，通过调节螺栓在三种测试模式间切换，三种测试模式为可以用于大柔性力矩传感器的静态刚度与阻尼特性的标定、还可用于对大柔性力矩传感器综合精度的动态测试和偏载对大柔性力矩传感器精度影响的测试，本发明装配简单、易于拆卸。
附图说明
图1为本发明所述面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台的结构示意图；
图2为图1的局部剖视图；
图3为图2的俯视图；
图4为动态测试时图2或图3的三维结构示意图；
图5为偏载测试时图2或图3的三维结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，包括底座7，以及同轴设置的驱动组件1、力矩校验传感器2、动力传递组件、工件固定座4和转角测量组件6；
工件固定座4用于固定待测定力矩传感器8，且工件固定座4通过螺栓固定在底座7上；
驱动组件1、力矩校验传感器2、待测定力矩传感器8和转角测量组件6依次同轴设置在底座7上方；且驱动组件1和转角测量组件6均通过一个支撑座9固定在底座7上；
驱动组件1带动力矩校验传感器2、待测定力矩传感器8和转角测量组件6转动；
力矩校验传感器2用于测量驱动组件1输出力矩；
动态测试平台还包括加载轮5、滑动轮11和空心轴10；
动力传递组件包括主联轴器3-1、副联轴器3-2、主动轴3-3和传动轴3-4；
驱动组件1的输出轴通过主联轴器3-1与力矩校验传感器2的一端面固定连接，力矩校验传感器2的另一端面依次通过副联轴器3-2、主动轴3-3和传动轴3-4的一个端面与待测定力矩传感器8的内圈8-1的一个端面固定连接；
空心轴10套接在传动轴3-4上，空心轴10的一个端面与待测定力矩传感器8的外圈8-2的一个端面固定连接；
空心轴10通过轴承14与工件固定座4转动连接；
滑动轮11固定在底座7上，且滑动轮11上缠绕有钢丝绳12，钢丝绳12的一端用于悬挂负载，其另一端用于固定在加载轮5上；
加载轮5通过平键13固定在空心轴10上；
转角测量组件6用于测量待测定力矩传感器8的内圈转角和外圈转角。
本实施方式中，所述面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台本发明可以用于大柔性力矩传感器的刚度与阻尼特性标定、动态性能测试和偏载测试。
驱动组件1的输出的动力依次经通过主联轴器3-1、力矩校验传感器2、副联轴器3-2和主动轴3-3传递到传动轴3-4上，传动轴3-4带动待测定力矩传感器8的内圈8-1转动，转角测量组件6测量内圈8-1的转角，力矩校验传感器2用于检测驱动组件1的输出的力矩。
当进行动态测试时，所述待测定力矩传感器8为已标定力矩传感器，将加载的重物固定在钢丝绳12的一端，从而将负载传递到加载轮5上，施加于加载轮5上负载包括沿着轴向的转矩和沿着径向的偏载，转矩通过平键13、空心轴10传递到外圈8-2上，偏载通过空心轴10、轴承14传递到固定座4上，使外圈8-2只受到转矩的作用。驱动组件1输出的动力带动测定力矩传感器8的内圈8-1转动，进而带动外圈8-2转动，使外圈8-2和内圈8-1均转动以模拟待测定力矩传感器8实际应用情况，通过力矩校验传感器2检测驱动组件1的输出的力矩，通过转角测量组件6用于测量已标定力矩传感器的内圈转角和外圈转角，从而对已标定力矩传感器进行动态测试。
当进行偏载测试时，待测定力矩传感器8为已标定力矩传感器，将用于连接工件固定座4和底座7上的螺栓拧下，使工件固定座4可以在底座7上滑动，调整钢丝绳12使其与加载轮5的中心位于同一直线上，加载轮5、工件固定座4、空心轴10、待测定力矩传感器8的外圈8-2将作为一个整体受到钢丝绳12的拉力作用，即外加载荷全部作用于待测定力矩传感器8的外圈8-2达到偏载的效果而不产生轴向转矩，改变钢丝绳12悬挂重物的质量以施加多组偏载，记录下已标定力矩传感器输出的转矩值，从而得到偏载对大柔性力矩传感器的影响。
具体实施方式二：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台的区别在于，转角测量组件6包括内圈编码器6-1、外圈空心轴编码器6-2、内圈转角测量轴6-3和外圈转角测量轴6-4；
内圈转角测量轴6-3的一端嵌固在待测定力矩传感器8的内圈8-1中，且该端的端面与传动轴3-4的另一个端面固定连接；
内圈转角测量轴6-3的另一个端通过编码器联轴器6-5与内圈编码器6-1的输入轴连接；
外圈转角测量轴6-4套在内圈转角测量轴6-3上，二者转动连接；
外圈转角测量轴6-4的一端与待测定力矩传感器8的外圈8-2的另一个端面固定连接；
外圈空心轴编码器6-2套接在外圈转角测量轴6-4上，且外圈转角测量轴6-4带动外圈空心轴编码器6-2同步转动。
本实施方式，驱动组件1的输出的动力依次经通过主联轴器3-1、力矩校验传感器2、副联轴器3-2和主动轴3-3传递到传动轴3-4上，传动轴3-4带动待测定力矩传感器8的内圈8-1转动，内圈转角测量轴6-3通过传动轴3-4和内圈8-1带动转动，从而使内圈转角测量轴6-3带动内圈编码器6-1转动，从而使内圈编码器6-1测量内圈8-1的转角。
将加载的重物固定在钢丝绳12的一端，从而使力依次经加载轮5、平键13、空心轴10传递到待测定力矩传感器8的外圈8-2上，驱动组件1输出的动力带动测定力矩传感器8的内圈8-1转动，进而带动外圈8-2转动，外圈转角测量轴6-4通过外圈8-2带动转动，从而使外圈转角测量轴6-4带动外圈空心轴编码器6-2测量外圈8-2的转角。
内圈编码器6-1和外圈空心轴编码器6-2与大柔性力矩传感器位于同一轴心，分别与大柔性力矩传感器的外圈和内圈刚性连接，避免了采用多余结构造成测量的机械误差，提高了测量精度。
具体实施方式三：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台的区别在于，主联轴器3-1和副联轴器3-2为膜片式联轴器。
具体实施方式四：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台的区别在于，空心轴10的一个端面固定在工件固定座4上，且待测定力矩传感器8为待标定力矩传感器。
本实施方式，本发明还可以用于大柔性力矩传感器的刚度与阻尼特性标定，空心轴10的一个端面固定在工件固定座4上，使待测定力矩传感器8的外圈8-2无法转动，只有内圈8-1通过驱动组件1带动转动，使驱动组件1输出轴在正负5°范围内旋转，记录下待标定力矩传感器在不同的转角下对应的力矩值，采集多组数据到计算机中来进行大柔性力矩传感器的静态刚度与阻尼特性标定。
具体实施方式五：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台的区别在于，工件固定座4的中间带有容纳空间的凹口，加载轮5位于凹口内，且加载轮5的左右两个侧面与凹口的相应侧面间挤压有密封圈垫，对加载轮5进行轴向固定。
具体实施方式六：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台的区别在于，驱动组件1包括固定在支撑座9上的伺服电机1-1和谐波减速器1-2；
伺服电机1-1的输出轴与谐波减速器1-2的输入轴固定连接，谐波减速器1-2的输出轴与主联轴器3-1的一端固定连接；
谐波减速器1-2的输出轴作为驱动组件1的输出轴。
具体实施方式七：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三、五或六所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台的区别在于，待测定力矩传感器8为已标定力矩传感器。
本发明所述面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims (7)

1.面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，包括底座(7)，以及同轴设置的驱动组件(1)、力矩校验传感器(2)、动力传递组件、工件固定座(4)和转角测量组件(6)；
工件固定座(4)用于固定待测定力矩传感器(8)，且工件固定座(4)通过螺栓固定在底座(7)上；
驱动组件(1)、力矩校验传感器(2)、待测定力矩传感器(8)和转角测量组件(6)依次同轴设置在底座(7)上方；且驱动组件(1)和转角测量组件(6)均通过一个支撑座(9)固定在底座(7)上；
驱动组件(1)带动力矩校验传感器(2)、待测定力矩传感器(8)和转角测量组件(6)转动；
力矩校验传感器(2)用于测量驱动组件(1)输出力矩；
其特征在于，动态测试平台还包括加载轮(5)、滑动轮(11)和空心轴(10)；
动力传递组件包括主联轴器(3-1)、副联轴器(3-2)、主动轴(3-3)和传动轴(3-4)；
驱动组件(1)的输出轴通过主联轴器(3-1)与力矩校验传感器(2)的一端面固定连接，力矩校验传感器(2)的另一端面依次通过副联轴器(3-2)、主动轴(3-3)和传动轴(3-4)的一个端面与待测定力矩传感器(8)的内圈(8-1)的一个端面固定连接；
空心轴(10)套接在传动轴(3-4)上，空心轴(10)的一个端面与待测定力矩传感器(8)的外圈(8-2)的一个端面固定连接；
空心轴(10)通过轴承(14)与工件固定座(4)转动连接；
滑动轮(11)固定在底座(7)上，且滑动轮(11)上缠绕有钢丝绳(12)，钢丝绳(12)的一端用于悬挂负载，其另一端用于固定在加载轮(5)上；
加载轮(5)通过平键(13)固定在空心轴(10)上；
转角测量组件(6)用于测量待测定力矩传感器(8)的内圈转角和外圈转角。
2.根据权利要求1所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，其特征在于，转角测量组件(6)包括内圈编码器(6-1)、外圈空心轴编码器(6-2)、内圈转角测量轴(6-3)和外圈转角测量轴(6-4)；
内圈转角测量轴(6-3)的一端嵌固在待测定力矩传感器(8)的内圈(8-1)中，且该端的端面与传动轴(3-4)的另一个端面固定连接；
内圈转角测量轴(6-3)的另一个端通过编码器联轴器(6-5)与内圈编码器(6-1)的输入轴连接；
外圈转角测量轴(6-4)套在内圈转角测量轴(6-3)上，二者转动连接；
外圈转角测量轴(6-4)的一端与待测定力矩传感器(8)的外圈(8-2)的另一个端面固定连接；
外圈空心轴编码器(6-2)套接在外圈转角测量轴(6-4)上，且外圈转角测量轴(6-4)带动外圈空心轴编码器(6-2)同步转动。
3.根据权利要求1所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，其特征在于，主联轴器(3-1)和副联轴器(3-2)为膜片式联轴器。
4.根据权利要求1或2所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，其特征在于，空心轴(10)的另一个端面固定在工件固定座(4)上，且待测定力矩传感器(8)为待标定力矩传感器。
5.根据权利要求1所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，其特征在于，工件固定座(4)的中间带有容纳空间的凹口，加载轮(5)位于凹口内，且加载轮(5)的左右两个侧面与凹口的相应侧面间挤压有密封圈垫，对加载轮(5)进行轴向固定。
6.根据权利要求1所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，其特征在于，驱动组件(1)包括固定在支撑座(9)上的伺服电机(1-1)和谐波减速器(1-2)；
伺服电机(1-1)的输出轴与谐波减速器(1-2)的输入轴固定连接，谐波减速器(1-2)的输出轴与主联轴器(3-1)的一端固定连接；
谐波减速器(1-2)的输出轴作为驱动组件(1)的输出轴。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的面向模块化关节的柔性力矩传感器动态测试平台，其特征在于，待测定力矩传感器(8)为已标定力矩传感器。
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