CN109489974A - 一种多模式切换柔性力矩加载机构 - Google Patents

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程远超
李科
邓涛
刘志蕾
孙光普
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/025—Test-benches with rotational drive means and loading means; Load or drive simulation

Abstract

一种多模式切换柔性力矩加载机构，涉及机器人单关节测试实验领域；包括底座、2个支架、磁粉制动器、蜗轮、蜗杆、螺旋弹簧、离合装置、联轴器、第一传动轴和第二传动轴；2个支架相对安装在底座上；联轴器安装在第一传动轴和第二传动轴之间；第一传动轴和第二传动轴沿轴向固定安装在2个支架之间；磁粉制动器固定安装在对应支架的外侧壁；蜗轮套装在第一传动轴的外壁；且蜗轮设置在对应支架的内侧壁；蜗杆与蜗轮实现啮合传动；离合装置套装在联轴器的外壁；螺旋弹簧轴向一端与离合装置接触；螺旋弹簧轴向另一端与蜗轮支撑架接触；本发明实现了主动加载和被动加载两种加载模式的可靠切换；实现了精确调整加载力矩，加载力矩的分辨率较高。

Description

一种多模式切换柔性力矩加载机构
技术领域
本发明涉及一种机器人单关节测试实验领域，特别是一种多模式切换柔性力矩加载机构。
背景技术
关节是机械臂最关键的部件，其性能好坏将直接影响到机械臂任务能否顺利的完成。近年来对关节的研究也备受关注，目前国内外已经研制出了各种不同形式的关节，怎么测试关节是否满足我们的设计指标要求，确定其输出力矩精度、位置精度和特定速度下的负载能力等主要性能参数，对整个机械臂的功能实现是必不可少的工作，因此，关节测试平台的设计就显得非常重要。
关节实验台主要测试关节的输出力矩特性，关节的扭转刚度和弯曲刚度等一些关节的主要性能参数，加拿大为了测试MSS移动服务系统上的机械臂关节而研制的关节测试实验台主要包括以下几个部分：待测试关节、在轨可更换单元、高刚度的适配器、行星齿轮增速器(增速比5.625)、制动器、加载用摆杆(包括质量块)、紧急致停单元、传递力的弯曲箱、五个加载用的螺旋起重器(包括与之相连的力传感器)、刚体结构台等。关节轴向主要通过摆杆末端添加质量块进行加载，并且可以通过改变摆杆的长度和调节质量块的重量来改变关节的负载，关节径向加载主要通过螺旋起重器进行加载。
上述加拿大关节测试实验台存在的不足点是不能测试关节末端的位置精度，并且使用摆杆加质量块的加载方式，不能实现关节连续的变载。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种多模式切换柔性力矩加载机构，实现了主动加载和被动加载两种加载模式的可靠切换；实现了精确调整加载力矩，加载力矩的分辨率较高。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种多模式切换柔性力矩加载机构，包括底座、2个支架、磁粉制动器、蜗轮、蜗杆、螺旋弹簧、离合装置、联轴器、第一传动轴和第二传动轴；其中，底座为水平放置的立方体台状结构；底座上表面设置有导轨；2个支架相对安装在底座的导轨上；2个支架沿导轨实现相对距离的调整；第一传动轴和第二传动轴同轴固定安装；联轴器安装在第一传动轴和第二传动轴之间；第一传动轴和第二传动轴沿轴向固定安装在2个支架之间；磁粉制动器与第一传动轴同轴固定安装在第一传动轴对应支架的外侧壁；蜗轮的支撑架套装在第一传动轴的外壁；蜗轮套装在支撑架的外壁，且蜗轮设置在第一传动轴对应支架的内侧壁；蜗杆竖直安装在蜗轮的一侧；蜗杆与蜗轮实现啮合传动；离合装置套装在联轴器的外壁；螺旋弹簧套装在第一传动轴的外壁；且螺旋弹簧轴向一端与离合装置接触；螺旋弹簧轴向另一端与蜗轮支撑架接触。
在上述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，通过蜗轮与蜗杆组成的传动副进行加载为手动加载模式；通过磁粉制动器进行加载为自动加载模式。
在上述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，当离合装置松开时，加载机构进入自动加载模式；当离合装置接合时，加载机构进入手动加载模式。
在上述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，自动加载模式状态下，磁粉制动器的额定加载力矩为100N·m。
在上述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，手动加载模式状态下，蜗轮与蜗杆组成的传动副的额定加载力矩为120N·m。
在上述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，所述蜗轮与蜗杆的齿数比为70：1。
在上述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，所述蜗轮与蜗杆的模数为4mm。
在上述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，所述力矩加载机构长为345-355mm；宽为325-335mm；高为325-335mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用了主动加载和被动加载两种加载模式可切换，而且切换方便可靠；
(2)本发明采用大减速比的蜗轮蜗杆作为主动加载装置，蜗杆端转动的角度对应到蜗轮端的转动角度很小，可以实现精确调整加载力矩，加载力矩的分辨率较高；
(3)本发明主动加载采用带有自锁能力的蜗轮蜗杆加载方式，主动加载力矩平稳无波动，加载力矩大小可控性强，提升了试验环境的稳定性，有效减小外部干扰信号，使得实验数据更加真实可靠。
附图说明
图1为本发明柔性力矩加载机构示意图；
图2为本发明柔性力矩加载机构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种多模式切换柔性力矩加载机构，是针对机械臂精度设计与验证需求，主要为测量机械臂关键性能参数而设计。该测试平台针对机械臂关节设计及测试需求，依据规范化关节性能指标测试流程，主要对机械臂关节的角速度、负载力矩、定位精度、输出回差、传动比、扭转刚度及关节阻尼等关节性能参数进行实验测试和辨识。
区别于传统的单一化被动加载式关节测量平台，该关节测试平台采用了手动加载和自动加载可切换的加载方式。手动加载方式的引入使得设计完成后的关节测试平台的动静态关节参数测试功能更加丰富，对机械臂整体性能的提升具有重要意义。
如图1所示为柔性力矩加载机构示意图，如图2所示为柔性力矩加载机构俯视图，由图可知，一种多模式切换柔性力矩加载机构，力矩加载机构长为345-355mm；宽为325-335mm；高为325-335mm。包括底座1、2个支架2、磁粉制动器3、蜗轮4、蜗杆5、螺旋弹簧6、离合装置7、联轴器8、第一传动轴9和第二传动轴10；其中，底座1为水平放置的立方体台状结构；底座1上表面设置有导轨；2个支架2相对安装在底座1的导轨上；2个支架2沿导轨实现相对距离的调整；第一传动轴9和第二传动轴10同轴固定安装；联轴器8安装在第一传动轴9和第二传动轴10之间；第一传动轴9和第二传动轴10沿轴向固定安装在2个支架2之间；磁粉制动器3与第一传动轴9同轴固定安装在第一传动轴9对应支架2的外侧壁；蜗轮4的支撑架套装在第一传动轴9的外壁；蜗轮4套装在支撑架的外壁，且蜗轮4设置在第一传动轴9对应支架2的内侧壁；蜗杆5竖直安装在蜗轮4的一侧；蜗杆5与蜗轮4实现啮合传动；离合装置7套装在联轴器8的外壁；螺旋弹簧6套装在第一传动轴9的外壁；且螺旋弹簧6轴向一端与离合装置7接触；螺旋弹簧6轴向另一端与蜗轮4支撑架接触。
通过蜗轮4与蜗杆5组成的传动副进行加载为手动加载模式；通过磁粉制动器3进行加载为自动加载模式。
当离合装置7松开时，加载机构进入自动加载模式；此时施加在关节上的负载力矩形式为摩擦力据，根据控制指令，通过磁粉制动器3控制关节负载力矩的大小。当离合装置7接合时，加载机构进入手动加载模式；此时施加在关节上的负载力矩形式为反向驱动力据，通过蜗杆5对蜗轮4加载，再通过螺旋弹簧6和离合装置7，加载到关节输出端。螺旋弹簧6装置保证了力矩加载是柔性可控的缓慢加载，而不是刚性冲击载荷。
自动加载模式状态下，磁粉制动器3的额定加载力矩为100N·m。手动加载模式状态下，蜗轮4与蜗杆5组成的传动副的额定加载力矩为120N·m。
蜗轮4与蜗杆5的齿数比为70：1。蜗轮4与蜗杆5的模数为4mm。
本发明的优点：
1、手动加载和自动加载两种加载模式可切换，而且切换方便可靠；
2、采用柔性加载方式，避免刚性冲击损坏测试设备，提升了测试过程中的安全性；
3、采用大减速比的蜗轮蜗杆作为主动加载装置，蜗杆端转动的角度对应到蜗轮端的转动角度很小，可以实现精确调整加载力矩，加载力矩的分辨率较高；
4、手动加载采用带有自锁能力的蜗轮蜗杆加载方式，主动加载力矩平稳无波动，加载力矩大小可控性强，提升了试验环境的稳定性，有效减小外部干扰信号，使得实验数据更加真实可靠；
5、丰富了测试平台的加载模式，不仅可以给待测设备施加被动摩擦负载力矩，也可以给待测设备施加主动驱动力矩；
6、丰富测试平台的测试能力，在被动加载模式下可以测试待测设备的动态负载特性，在主动加载模式下可以测试待测设备的静态负载特性；
7、本装置简单可靠，实用性强而且成本较低。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种多模式切换柔性力矩加载机构，其特征在于：包括底座(1)、2个支架(2)、磁粉制动器(3)、蜗轮(4)、蜗杆(5)、螺旋弹簧(6)、离合装置(7)、联轴器(8)、第一传动轴(9)和第二传动轴(10)；其中，底座(1)为水平放置的立方体台状结构；底座(1)上表面设置有导轨；2个支架(2)相对安装在底座(1)的导轨上；2个支架(2)沿导轨实现相对距离的调整；第一传动轴(9)和第二传动轴(10)同轴固定安装；联轴器(8)安装在第一传动轴(9)和第二传动轴(10)之间；第一传动轴(9)和第二传动轴(10)沿轴向固定安装在2个支架(2)之间；磁粉制动器(3)与第一传动轴(9)同轴固定安装在第一传动轴(9)对应支架(2)的外侧壁；蜗轮(4)的支撑架套装在第一传动轴(9)的外壁；蜗轮(4)套装在支撑架的外壁，且蜗轮(4)设置在第一传动轴(9)对应支架(2)的内侧壁；蜗杆(5)竖直安装在蜗轮(4)的一侧；蜗杆(5)与蜗轮(4)实现啮合传动；离合装置(7)套装在联轴器(8)的外壁；螺旋弹簧(6)套装在第一传动轴(9)的外壁；且螺旋弹簧(6)轴向一端与离合装置(7)接触；螺旋弹簧(6)轴向另一端与蜗轮(4)支撑架接触。
2.根据权利要求1所述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，其特征在于：通过蜗轮(4)与蜗杆(5)组成的传动副进行加载为手动加载模式；通过磁粉制动器(3)进行加载为自动加载模式。
3.根据权利要求2所述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，其特征在于：当离合装置(7)松开时，加载机构进入自动加载模式；当离合装置(7)接合时，加载机构进入手动加载模式。
4.根据权利要求3所述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，其特征在于：自动加载模式状态下，磁粉制动器(3)的额定加载力矩为100N·m。
5.根据权利要求4所述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，其特征在于：手动加载模式状态下，蜗轮(4)与蜗杆(5)组成的传动副的额定加载力矩为120N·m。
6.根据权利要求5所述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，其特征在于：所述蜗轮(4)与蜗杆(5)的齿数比为70：1。
7.根据权利要求6所述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，其特征在于：所述蜗轮(4)与蜗杆(5)的模数为4mm。
8.根据权利要求7所述的一种多模式切换柔性力矩加载机构，其特征在于：所述力矩加载机构长为345-355mm；宽为325-335mm；高为325-335mm。
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