CN109459254A - 一种多关节机器人动力学半物理仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多关节机器人动力学半物理仿真平台，该平台包括多组关节半物理仿真模块、信号采集模块和控制模块；所述关节半物理仿真模块包括依次连接的机器人关节驱动电机、位置传感器、扭矩传感器、磁粉离合器和变惯量加载机构。本发明能够满足不同类型机器人的不同位置关节的动力学测试，同时实现对多关节进行同步性能测试。每组仿真模块的动力学测试范围更宽，有效地模拟测试不同工况下的机器人各关节的动力学性能。本发明设计结构简单，易于实现，具有较高的安全性和可靠性。本发明对机器人动力学验证与优化具有重要意义。

Description

一种多关节机器人动力学半物理仿真平台

技术领域

本发明属于机器人的性能仿真测试技术领域，主要涉及一种多关 节机器人动力学半物理仿真平台。

背景技术

随着我国“2025智能制造”、“产业升级”、“走出去”的步伐加 快，机器人领域亟需提升产品性能，工业机器人伺服系统产品性能优 化验证尤为重要。

机器人涵盖了焊接、分拣、组装、码垛等应用背景，均属于我国 智能机器人研究与发展的重要方向。一种精确地测试多关节机器人动 力学半物理仿真平台成为研究的迫切需要。而目前，国内大多数测试 系统，往往通过计算机仿真技术或物理样机进行方法的验证，然而计 算机仿真技术往往存在不确定性；实验样机会产生较大的成本消耗， 样机本体一旦组装完成，其调试困难且容易造成样机损坏。因此，设 计一款多关节机器人动力学半物理仿真平台具有重要价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计了一种多关节机器人动力学半 物理仿真平台，实现了多关节机器人根据不同负载惯量的要求，对各 个位置关节进行动力学同步性能测试，验证机器人各关节在组装运行 后所需要的性能参数。

本发明提供一种多关节机器人动力学半物理仿真平台，包括：多 组关节半物理仿真模块、信号采集模块和控制模块；所述关节半物理 仿真模块用于模拟输出机器人关节在不同负载转动惯量下的速度、位 置、扭矩和转动惯量；所述信号采集模块用于采集不同机器人关节在 测试过程中的速度、位置、扭矩和转动惯量；所述控制模块用于对多 组关节半物理仿真模块实时控制，并接收信号采集模块检测的测试数 据；

所述关节半物理仿真模块包括依次连接的机器人关节驱动电机、 位置传感器、扭矩传感器、磁粉离合器和变惯量加载机构；所述机器 人关节驱动电机，根据所模拟的不同关节位置采用不同功率的驱动电 机，作为关节半物理仿真模块的测试电机；变惯量加载机构用于输出 时变的负载转动惯量；所述磁粉离合器根据控制模块的控制指令调节 激励电流的大小以输出不同的制动力矩，模拟突变的外部负载扰动 量；所述位置传感器用于获取机器人关节在不同负载转动惯量和外部 负载扰动量下的位置和速度信息；所述扭矩传感器用于获取机器人关 节在不同负载转动惯量和外部负载扰动量下所产生的实时扭矩信息。

在本发明的多关节机器人动力学半物理仿真平台中，所述变惯量 加载机构包括：变惯量控制电机、第一输入齿轮、第二输入齿轮，第 一质量块支撑板、第一质量块、第一变惯量连杆、第二变惯量连杆、 第二变惯量连接套、螺母、第一止旋连杆、第二止旋连杆、止旋固定 套、第三止旋连杆、第四止旋连杆、丝杠、第三变惯量连杆、第四变 惯量连杆、第二质量块、第二质量块支撑板和第一变惯量连接套；

所述变惯量控制电机与所述丝杠连接，根据控制模块输出的变惯 量控制信号驱动所述丝杠旋转；所述第一输入齿轮与磁粉离合器连接 并与第二输入齿轮相啮合；所述第二输入齿轮与第一变惯量连接套连 接，第一变惯量连接套通过轴承支撑在所述丝杠上；

所述第一变惯量连杆一端与第一变惯量连接套连接，另一端与所 述第二变惯量连杆连接，所述第二变惯量连接杆的另一端与第二变惯 量连接套连接，所述第一质量块通过所述第一质量块支撑板与第一变 惯量连杆连接；第三变惯量连杆一端与第一变惯量连接套连接，另一 端与所述第四变惯量连杆连接，所述第四变惯量连接杆的另一端与第 二变惯量连接套连接，所述第二质量块通过所述第二质量块支撑板与 第三变惯量连杆连接；所述第二变惯量连接套通过轴承支撑在所述螺 母上；所述螺母支撑在丝杠之上随丝杆转动沿丝杆做直线运动；

所述第一止旋连杆一端与螺母连接，另一端与第二止旋连杆连 接，第二止旋连杆另一端与止旋固定套连接；所述第三止旋连杆一端 与螺母连接，另一端与第四止旋连杆连接，第四止旋连杆另一端与止 旋固定套连接，止旋固定套固定在丝杠末端。

在本发明的多关节机器人动力学半物理仿真平台中，所述变惯量 控制电机根据控制模块输出的变惯量控制信号驱动丝杠旋转，丝杠旋 转带动螺母直线运动，螺母带动第一变惯量连杆、第二变惯量连杆、 第三变惯量连杆和第四变惯量连杆转动从而改变第一质量块和第二 质量块到转动轴心的半径，实现输出时变的转动惯量。

在本发明的多关节机器人动力学半物理仿真平台中，还包括第一 联轴器、第二联轴器、第三联轴器和第四联轴器；所述位置传感器、 第一联轴器、扭矩传感器、第二联轴器、磁粉离合器、第三联轴器和 第一输入齿轮依次设置在机器人关节驱动电机的输出轴上。

在本发明的多关节机器人动力学半物理仿真平台中，还包括多个 支架，所述各组关节动力学仿真模块通过支架固定在工作台上。

与传统的机器人关节测试设备相比，本发明的多关节机器人动力 学半物理仿真平台有以下方面的优势：

本发明能够满足不同类型机器人的不同位置关节的动力学测试， 同时实现对多关节进行同步性能测试。每组仿真模块的动力学参数测 试范围更宽，有效地模拟测试不同工况下的机器人各关节的动力学性 能，达到更为理想的多关节机器人动力学半物理仿真的模拟效果。测 试过程中，有效地模拟机器人系统中速度、位置、扭矩及其转动惯量 的仿真实验，同时测出精确地机器人各关节的动力学参数。本发明采 用立式或卧式结构，设计结构简单，节省空间，易于实现，具有较高 的安全性、可靠性及对机器人各关节测试的实时性和同步性。设计开 放式的控制系统，显著的提高了对机器人系统动力学验证与优化的效率。

附图说明

图1为本发明的一种多关节机器人动力学半物理仿真平台的结 构框图；

图2为本发明的关节半物理仿真模块的结构示意图；

图3为本发明具体实施案例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种多关节机器人动力学半物理仿真平 台，针对不同机器人产品研发的需要，提供一款可靠、易用的机器人 动力学半物理仿真平台。

如图1所示，本发明的一种多关节机器人动力学半物理仿真平 台，包括：多组关节半物理仿真模块1、信号采集模块2和控制模块 3。所述关节半物理仿真模块1用于模拟输出机器人关节在不同负载 转动惯量下的速度、位置、扭矩和转动惯量；所述信号采集模块2用于采集不同机器人关节在测试过程中的速度、位置、扭矩和转动惯量； 所述控制模块3用于对多组关节半物理仿真模块1实时控制，并接收 信号采集模块2检测的测试数据，针对测试数据进行分析，有效提高 了测试系统的实效性。

本发明是一种开放式的多关节机器人动力学半物理仿真平台，有 效改善了机器人动力学半物理仿真平台的可靠性和易用性及对机器 人各关节测试的实时性和同步性。

所述关节半物理仿真模块1包括依次连接的机器人关节驱动电 机1001、位置传感器1101、扭矩传感器1102、磁粉离合器1201和 变惯量加载机构13。所述机器人关节驱动电机1001，根据所模拟的 不同关节位置采用不同功率的驱动电机，作为关节半物理仿真模块的 测试电机。变惯量加载机构13用于输出时变的负载转动惯量。所述 磁粉离合器1201根据控制模块3的控制指令调节激励电流的大小以 输出不同的制动力矩，模拟突变的外部负载扰动量。所述位置传感器 1101用于获取机器人关节在不同负载转动惯量和外部负载扰动量下 的位置和速度信息。所述扭矩传感器1102用于获取机器人关节在不 同负载转动惯量和外部负载扰动量下所产生的实时扭矩信息。

位置传感器1101能够准确的观测被测机器人关节的位置、速度、 加速度信息，有效提高了系统的测试精度。磁粉离合器1201能够有 效模拟机器人在操作过程中，受到的外部扰动的影响。扭矩传感器 1102能够准确的观测被测机器人关节的扭矩变化信息。提高多关节 机器人动力学半物理仿真平台的仿真效果。

如图2所示，所述变惯量加载机构13包括：变惯量控制电机1301、 第一输入齿轮1302、第二输入齿轮1303，第一质量块支撑板1304、 第一质量块1305、第一变惯量连杆1306、第二变惯量连杆1307、第 二变惯量连接套1308、螺母1309、第一止旋连杆1310、第二止旋连 杆1311、止旋固定套1312、第三止旋连杆1314、第四止旋连杆1313、 丝杠1315、第三变惯量连杆1319、第四变惯量连杆1316、第二质量 块1317、第二质量块支撑板1318和第一变惯量连接套1320。

所述变惯量控制电机1301与所述丝杠1315连接，根据控制模块 3输出的变惯量控制信号驱动所述丝杠1315旋转。所述第一输入齿 轮1302与磁粉离合器1201连接并与第二输入齿轮1303相啮合；所 述第二输入齿轮1303与第一变惯量连接套1320连接，第一变惯量连 接套1320通过轴承支撑在所述丝杠1315上。

所述第一变惯量连杆1306一端与第一变惯量连接套1320连接， 另一端与所述第二变惯量连杆1307连接，所述第二变惯量连接杆 1307的另一端与第二变惯量连接套1308连接，所述第一质量块1305 通过所述第一质量块支撑板1304与第一变惯量连杆1306连接；第三 变惯量连杆1319一端与第一变惯量连接套1320连接，另一端与所述 第四变惯量连杆1316连接，所述第四变惯量连接杆1316的另一端与 第二变惯量连接套1308连接，所述第二质量块1317通过所述第二质 量块支撑板1318与第三变惯量连杆1319连接；所述第二变惯量连接 套1308通过轴承支撑在所述螺母1309上；所述螺母1309支撑在丝 杠1315之上随丝杆转动沿丝杆做直线运动，共同组成V型变惯量机 构。

所述第一止旋连杆1310一端与螺母1309连接，另一端与第二止旋 连杆1311连接，第二止旋连杆1311另一端与止旋固定套1312连接；所 述第三止旋连杆1314一端与螺母1309连接，另一端与第四止旋连杆 1313连接，第四止旋连杆1313另一端与止旋固定套1312连接，止旋固 定套1312固定在丝杠1315末端。通过设置第一止旋连杆1310、第二止 旋连杆1311、第三止旋连杆1314和第四止旋连杆1313可防止螺母1309 旋转。

具体实施时，所述变惯量控制电机1301根据控制模块3输出的 变惯量控制信号驱动丝杠1315旋转，丝杠1315旋转带动螺母1309 直线运动，螺母1309带动第一变惯量连杆1306、第二变惯量连杆 1307、第三变惯量连杆1319和第四变惯量连杆1316转动从而改变第一质量块1305和第二质量块1317到转动轴心的半径，实现输出时变 的转动惯量。

变惯量加载机构13移动平稳，联动稳定性好。本发明能够满足不 同类型机器人的不同位置关节的动力学测试，同时实现对多关节进行 同步性能测试。每组仿真模块的动力学参数测试范围更宽，有效地模 拟测试不同工况下的机器人各关节的动力学性能，达到更为理想的多 关节机器人动力学半物理仿真的模拟效果。本发明是一种开放式的多 关节机器人动力学半物理仿真平台，有效改善了机器人动力学半物理 仿真平台的可靠性和易用性及对机器人各关节测试的实时性和同步 性。

具体实施时，还包括第一联轴器1405、第二联轴器1407、第三联 轴器1408和第四联轴器1411。所述位置传感器1101、第一联轴器1405、 扭矩传感器1102、第二联轴器1407、磁粉离合器1201、第三联轴器1408 和第一输入齿轮1302依次设置在机器人关节驱动电机1001的输出轴 1402上。

具体实施时，还包括多个支架4，所述多组关节动力学仿真模块 1，采用立式或卧式结构，每两组仿真模块对称分布。所述各组关节 动力学仿真模块1通过支架4固定在工作台上。

图3为本发明具体实施案例的结构示意图。本发明是一种开放式 的多关节机器人动力学半物理仿真平台，突破了传统的机器人动力学 仿真平台的封闭式结构，方便使用者进行实时控制，并能有效验证控 制算法的性能。对提高机器人动力学半物理仿真平台的可靠性和易用 性及对机器人各关节测试的实时性和同步性具有重要意义。

传动精度测试时：位置传感器1101用于获取被测机器人关节的 位置和速度信息；用来评价被测关节的跟踪精度。扭矩传感器1102 用于获取被测机器人关节在测试过程中所产生的实时扭矩信息，从而 输出准确的各关节扭矩变化曲线，有效地测算关节的传动效率。

抗扰性能测试时：磁粉离合器1201用于被测机器人关节在测试 过程中，通过调节激励电流的大小输出不同的制动力矩，模拟突变的 外部负载扰动量。通过对关节施加扰动，可以有效验证控制算法的鲁 棒性。

变负载惯量测试：变惯量控制电机1301根据给定指令驱动丝杠 旋转，丝杠旋转带动螺母直线运动，螺母带动连杆转动从而改变质量 块到转动轴心的半径，实现输出时变的转动惯量。

测试过程中，针对不同类型机器人和不同位置关节，可以设定不 同测试范围的转动惯量，同时实现多轴机器人关节性能的同步测试， 以达到理想的多关节机器人动力学半物理仿真效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思 想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改 进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多关节机器人动力学半物理仿真平台，其特征在于，包括：多组关节半物理仿真模块、信号采集模块和控制模块；所述关节半物理仿真模块用于模拟输出机器人关节在不同负载转动惯量下的速度、位置、扭矩和转动惯量；所述信号采集模块用于采集不同机器人关节在测试过程中的速度、位置、扭矩和转动惯量；所述控制模块用于对多组关节半物理仿真模块实时控制，并接收信号采集模块检测的测试数据；

所述关节半物理仿真模块包括依次连接的机器人关节驱动电机、位置传感器、扭矩传感器、磁粉离合器和变惯量加载机构；所述机器人关节驱动电机，根据所模拟的不同关节位置采用不同功率的驱动电机，作为关节半物理仿真模块的测试电机；变惯量加载机构用于输出时变的负载转动惯量；所述磁粉离合器根据控制模块的控制指令调节激励电流的大小以输出不同的制动力矩，模拟突变的外部负载扰动量；所述位置传感器用于获取机器人关节在不同负载转动惯量和外部负载扰动量下的位置和速度信息；所述扭矩传感器用于获取机器人关节在不同负载转动惯量和外部负载扰动量下所产生的实时扭矩信息。

2.如权利要求1所述的多关节机器人动力学半物理仿真平台，其特征在于，所述变惯量加载机构包括：变惯量控制电机、第一输入齿轮、第二输入齿轮，第一质量块支撑板、第一质量块、第一变惯量连杆、第二变惯量连杆、第二变惯量连接套、螺母、第一止旋连杆、第二止旋连杆、止旋固定套、第三止旋连杆、第四止旋连杆、丝杠、第三变惯量连杆、第四变惯量连杆、第二质量块、第二质量块支撑板和第一变惯量连接套；

所述变惯量控制电机与所述丝杠连接，根据控制模块输出的变惯量控制信号驱动所述丝杠旋转；所述第一输入齿轮与磁粉离合器连接并与第二输入齿轮相啮合；所述第二输入齿轮与第一变惯量连接套连接，第一变惯量连接套通过轴承支撑在所述丝杠上；

所述第一变惯量连杆一端与第一变惯量连接套连接，另一端与所述第二变惯量连杆连接，所述第二变惯量连接杆的另一端与第二变惯量连接套连接，所述第一质量块通过所述第一质量块支撑板与第一变惯量连杆连接；第三变惯量连杆一端与第一变惯量连接套连接，另一端与所述第四变惯量连杆连接，所述第四变惯量连接杆的另一端与第二变惯量连接套连接，所述第二质量块通过所述第二质量块支撑板与第三变惯量连杆连接；所述第二变惯量连接套通过轴承支撑在所述螺母上；所述螺母支撑在丝杠之上随丝杆转动沿丝杆做直线运动；

所述第一止旋连杆一端与螺母连接，另一端与第二止旋连杆连接，第二止旋连杆另一端与止旋固定套连接；所述第三止旋连杆一端与螺母连接，另一端与第四止旋连杆连接，第四止旋连杆另一端与止旋固定套连接，止旋固定套固定在丝杠末端。

3.如权利要求2所述的多关节机器人动力学半物理仿真平台，其特征在于，所述变惯量控制电机根据控制模块输出的变惯量控制信号驱动丝杠旋转，丝杠旋转带动螺母直线运动，螺母带动第一变惯量连杆、第二变惯量连杆、第三变惯量连杆和第四变惯量连杆转动从而改变第一质量块和第二质量块到转动轴心的半径，实现输出时变的转动惯量。

4.如权利要求2所述的多关节机器人动力学半物理仿真平台，其特征在于，还包括第一联轴器、第二联轴器、第三联轴器和第四联轴器；所述位置传感器、第一联轴器、扭矩传感器、第二联轴器、磁粉离合器、第三联轴器和第一输入齿轮依次设置在机器人关节驱动电机的输出轴上。

5.如权利要求1所述的多关节机器人动力学半物理仿真平台，其特征在于，还包括多个支架，所述各组关节动力学仿真模块通过支架固定在工作台上。