CN109828207B - 一种三自由度球形电机姿态、力矩检测台架及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度球形电机姿态、力矩检测台架及检测方法，属于三自由度运动检测相关技术领域，所述检测台架包括三组分别检测XYZ方向上位置和力矩的检测支架；每组检测支架上各安装一个单圈绝对式旋转编码器，一个静态扭矩传感器和一个电磁失电制动器，通过制动器的动作切换位置、力矩检测状态；两组可转动的检测支架光滑安装在第三组静止的检测支架上，转动支架设置有配重机构，用以消除支架自身重心偏移对检测的影响。本发明简单易行，安全可靠，通用性强，可以满足各类三自由度运动机构的检测要求。

Description

一种三自由度球形电机姿态、力矩检测台架及检测方法

技术领域

本发明属于三自由度球形电机检测相关技术领域，具体涉及一种三自由度的姿态、力矩检测台架及检测方法。

背景技术

随着产业自动化对工业机器人，特别是多自由度运动机械臂的现实要求发展，对电机的运动方式要求开始从单纯的一维圆周旋转开始向多自由度运动发展。由多台电机通过传动机构串并联组合而来的多自由度执行机构，存在着集成可靠性低、传动效率低等难以克服的缺陷。因此，能够以单台电机执行多自由度运动球形电机的开发受到越来越多的关注。

在三自由球形电机的研发过程中，空间姿态和力矩的准确测量装置和方法，对检验所研发样机在运动轨迹、驱动能力等性能指标具有重要的意义。当前实际应用中，成熟的三自由度检测机构都仅能对球形电机的空间位置姿态进行检测，对力矩的测试还需要借助其他手段。同时对电机力矩仍处于各单自由度独立测量的状态，测试方法复杂，且不能反映球形电机运行轨迹复杂的特征。所以目前的三自由球形电机的研发过程急需一种能够同时对三自由度位置和力矩进行检测的复合型装置。有鉴于此，特提出本项发明。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种三自由度球形电机姿态、力矩检测台架及检测方法，将三自由度方向上的位置和力矩测试功能整合到一个装置中，提高检测平台的通用性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种三自由度球形电机姿态、力矩检测台架，包括一个静止支架、两个旋转支架、位置编码器、力矩传感器和制动器；所述静止支架沿X方向放置，下部有升高支脚，上部有两个竖架，中部有放置平台的H形结构；所述旋转支架，其一为框形，可绕X轴转动，安装于静止支架上，其二为倒U形，可绕Y轴转动，安装于绕X轴转动的旋转支架上；三个支架上均同时安装有位置编码器、力矩传感器和制动器，一组安装于静止支架，且与绕X轴转动的旋转支架同轴，一组安装于绕X轴转动的旋转支架，且与绕Y转动的旋转支架同轴，一组安装于绕Y转动的旋转支架，且与被测对象同轴。

进一步的，所述位置编码器可以是单圈式、多圈式、增量式、绝对式任意一种，优选的以单圈绝对式为宜。

进一步的，所述制动器可以是机械式、液压式、气压式、电磁式任意一种，优选的以电磁式为宜。

所述力矩传感器，优选的以静态式为宜。

在静止支架上，位置编码器、力矩传感器和制动器与绕X轴旋的转支架同轴；位置编码器始终随绕X轴转动支架旋转，因而时刻在检测整体台架的X轴向转角；而力矩传感器则通过制动器与绕X轴转动支架连接，仅在制动器抱轴的时候检测此支架受到的X轴向扭矩。

安装在静止支架上的两个旋转支架，一个可以绕X轴转动，其上的位置编码器、力矩传感器和制动器与另一个可以绕Y轴旋转的支架同轴；其中位置编码器始终随绕Y轴转动支架旋转，因而时刻在检测整体台架的Y轴向转角；而力矩传感器则通过制动器与绕Y轴转动支架连接，仅在制动器抱轴的时候检测此支架受到的Y轴方向扭矩。另外为补偿传感器重量，在支架框体上设置有多个配重挂载点。

另一个旋转支架可以绕Y轴转动，其上位置编码器、力矩传感器和制动器与被测对象的输出轴同轴，且均位于支架上部；位置编码器直接与被测轴连结，时刻在检测整体台架的Z轴向转角；力矩传感器由于与被测轴的空间被位置编码器遮挡，经过两级套筒后由制动器与被测轴连结，且仅在制动器抱轴的时候检测此支架受到的Z轴方向扭矩。另外为补偿传感器重量，在支架框体下部设置有多个配重挂载点。

进一步的，所述两级套筒可以是框型、筒壁型、笼形，优选的以框型为宜。

本发明所述测试台架检测三自由度球形电机姿态、力矩的方法，三个自由度上的位置和扭矩必须分开测试。当所有三个制动器松轴，整体台架处于自由运动状态，记录位置编码器的读数即可得到测对象当前位置的三自由度角位移。测量单姿态点的力矩时，在台架达到指定姿态时将所有三个制动器抱轴，记录力矩传感器可得当前位置的三自由度扭矩数值。

测量特定通电策略下球形电机的运动轨迹及力矩情况时，先将三个制动器松轴，给电机施加特定的驱动电流，测量记录三个位置传感器的读数，得到空间运动轨迹；将运动轨迹细分为若干离散位置点，将台架人为调整至每一个位置点后，驱动电流供电，制动器抱轴，记录各位置点被测对象的驱动力矩；连线描点，即可得到此特定通电策略下的输出力矩曲线。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明同时安装有位置与力矩传感器，可以采用一套台架完成三自由度运动中姿态和转矩两种数据的测试；

(2)本发明在运动机构上设置有配重挂载点，可以根据不同测试对象调整重心，消除被测对象或检测台架自身的重力给运动和测试带来的偏差。

附图说明

图1是本发明公开的三自由度姿态、力矩检测台架总体装配图。

图2是图1中静止支架1的结构图。

图3是静止支架1的XOZ平面剖面图。

图4是图1中第一转动支架2的结构图。

图5是转动支架2的YOZ平面剖面图。

图6是静止支架1和第一转动支架2上力矩传感器与电磁失电制动器安装图。

图7是图1中第二转动支架3的结构图。

图8是第二转动支架3的YOZ平面剖面图。

图9是第二转动支架3上位置、力矩传感器与电磁制动器安装结构图。

图中：1为静止支架；2为第一转动支架；3为第二转动支架；4为X轴位置编码器；5为X轴力矩传感器；6为X轴电磁失电制动器；7为Y轴位置编码器；8为Y轴力矩传感器；9为Y轴电磁失电制动器；10为Z轴位置编码器；11为Z轴力矩传感器；12为Z轴电磁失电制动器；13为支架一；14为第一框型套筒；15为第二框型套筒；16为支架二；17为支架三；18为主框架；19为第一配重挂载点；20为第二配重挂载点。

具体实施方式

以下结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的一种三自由度姿态、力矩检测台架，包括一组用于台架整体固定及检测水平X轴方向转角和转矩的静止支架1，一组用于检测水平且正交于X轴的Y轴方向上转角和转矩的第一转动支架2，和一组用于检测竖直Z轴方向转角和转矩检测的第二转动支架3。

上述静止支架1用于固定整体检测台架，并支撑另两组转动支架即第一转动支架2、第二转动支架3，以及放置被测对象。

上述第一转动支架2在X方向对称轴位置与静止支架1滑动接触，并可绕X轴旋转。

上述第二转动支架3在Y方向对称轴位置与第一转动支架2滑动接触，并可绕Y轴旋转。

当所有三个失电制动器通电不制动时，被测机构可以带动第一转动支架2、第二转动支架3在超过60°空间范围内三自由度自由旋转。

如图2、3所示静止支架1一端安装有X轴位置编码器4，另一端安装有X轴力矩传感器5和X轴电磁失电制动器6，三者沿X轴排列。中部平台用于固定被测对象。

图2、3中所示X轴位置编码器4的基座固定在静止支架1上，旋转轴固定在第一转动支架2上。当第一转动支架2发生绕X轴旋转时，X轴位置编码器4的旋转轴将随之旋转，从而测量X轴位置角。

图2、3中所示静态式的X轴力矩传感器5的两端轴，一个固定在静止支架1上，另一个通过套筒固定在X轴电磁失电制动器6的基座上。

图2、3中所示X轴电磁失电制动器6的基座与静止支架1滑动接触，与X轴力矩传感器5的一端轴固定，转轴与第一转动支架2固定。通电松轴状态下的X轴电磁失电制动器6充当静止支架1与第一转动支架2之间的滑动轴承。失电制动状态下的X轴电磁失电制动器6充当静止支架1与第一转动支架2之间的硬联轴器，将X轴方向的转矩传递给静态式的X轴力矩传感器5。

如图4、5所示第一转动支架2可以绕X轴旋转，一端安装有Y轴位置编码器7，另一端安装有Y轴力矩传感器8和Y轴电磁失电制动器9，三者沿Y轴排列。

图4、5中所示Y轴位置编码器7的基座固定在第一转动支架2上，旋转轴固定在第二转动支架3上。当第二转动支架3发生绕Y轴旋转时，Y轴位置编码器7的旋转轴将随之旋转，并测得Y轴位置角。

图4、5中所示静态式的Y轴力矩传感器8的两个轴，一个固定在第一转动支架2上，另一个通过套筒固定在Y轴电磁失电制动器9的基座上。

图4、5中所示Y轴电磁失电制动器9的基座与第一转动支架2滑动接触，与力Y轴力矩传感器8的一端轴固定，转轴与第二转动支架3固定。通电松轴状态下的Y轴电磁失电制动器9充当第一转动支架2、第二转动支架3之间的滑动轴承。失电制动状态下的Y轴电磁失电制动器9充当第一转动支架2、第二转动支架3之间的硬联轴器，将X轴方向的转矩传递给静态式的Y轴力矩传感器8。

如图4所示第一转动支架2由于沿XOZ平面两侧所安装元件重量不同，为削弱自身重心偏移对测量数据的影响，在第一转动支架2上设置有多个第一配重挂载点19。

如图7、8所示第二转动支架3可以绕Z轴旋转，Z轴位置编码器10、Z轴力矩传感器11和Z轴电磁失电制动器12沿Z轴全部安装在第二转动支架3上端。

图7、8中所示的Z轴位置编码器10的基座安装在支架一13上，支架一13穿过Z轴力矩传感器11轴空心，固定在支架三17中间的横梁。支架二16、支架三17固定在第二转动支架3的主框架18上。通过连接支架一13、支架三17、支架二16、主框架18的固定作用，Z轴位置编码器10的基座与第二转动支架3保持静止。Z轴位置编码器10的转轴固定在第一框型套筒14上。第一框型套筒14穿过主框架18与被测机构通过联轴器链接。当被测机构发生沿Z轴旋转时，第一框型套筒14带动Z轴位置编码器10的转轴旋转，测得Z轴的旋转位置角。

与图6所示的静止支架1和第一旋转支架2上力矩传感器与电磁失电制动器安装不同，如图7、8、9中可见，第二旋转支架3上的静态式的Z轴力矩传感器11的两个轴，一个通过支架二16、支架三17、主框架18固定在第二转动支架3上，另一个通过第二框型套筒15固定在Z轴电磁失电制动器12的基座上。

图7、8、9中Z轴电磁失电制动器12的基座与支架二16滑动接触，与第二框型套筒15固定。其转轴则通过第一框型套筒14，穿过主框架18接被测对象输出轴。

通电松轴状态下的Z轴电磁失电制动器12充当第二转动支架3与被测对象输出轴之间的滑动轴承。失电制动状态下的Z轴电磁失电制动器12通过第一框型套筒14、第二框型套筒15，充当第二转动支架3与被测对象输出轴之间的硬联轴器，将Z轴方向的转矩传递给静态式的Z轴力矩传感器11。

如图7所示第二转动支架3由于元件集中在支架上部，为削弱重心对测量数据的影响，在第二转动支架3上设置有多个第二配重挂载点20。

根据图1-9所示的台架解结构，在进行三自由度姿态或运动轨迹测量的时候，应先给X轴电磁失电制动器6、Y轴电磁失电制动器9、Z轴电磁失电制动器12通电，使之处于松轴状态。此时被测机构的运动将带动第一转动支架2、第二转动支架3旋转，进而在三个单圈绝对式的X轴位置编码器4、Y轴位置编码器7、Z轴位置编码器10的轴上产生角位移。

在进行三自由度力矩测试的时候，应先将X轴电磁失电制动器6、Y轴电磁失电制动器9、Z轴电磁失电制动器12松轴，使第一转动支架2、第二转动支架3可以自由旋转。根据位置检测的结果，将整体台架调整至需要测试力矩的空间姿态，再将X轴电磁失电制动器6、Y轴电磁失电制动器9、Z轴电磁失电制动器12重新置于抱轴状态。抱轴之后X轴力矩传感器5、Y轴力矩传感器8、Z轴力矩传感器11的测量值，即为当前姿态下被测机构在三个自由度上的输出力矩数值。

Claims (2)

1.一种三自由度球形电机姿态、力矩检测台架，其特征在于：包括一个静止支架、两个旋转支架、位置编码器、力矩传感器和制动器；所述静止支架沿X方向放置，下部有升高支脚，上部有两个竖架，中部有放置平台的H形结构；所述旋转支架，其一为框形，可绕X轴转动，安装于静止支架上，其二为倒U形，可绕Y轴转动，安装于绕X轴转动的旋转支架上；三个支架上均同时安装有位置编码器、力矩传感器和制动器，一组安装于静止支架，且与绕X轴转动的旋转支架同轴，一组安装于绕X轴转动的旋转支架，且与绕Y转动的旋转支架同轴，一组安装于绕Y转动的旋转支架，且与被测对象同轴；

所述静止支架，位置编码器、力矩传感器和制动器与绕X轴旋转的支架同轴；位置编码器始终随绕X轴转动支架旋转，因而时刻在检测整体台架的X轴向转角；而力矩传感器则通过制动器与绕X轴转动支架连接，仅在制动器抱轴的时候检测此支架受到的X轴向扭矩；

所述两个旋转支架，其一为绕X轴转动的旋转支架，绕X轴转动的旋转支架上的位置编码器、力矩传感器和制动器与绕Y轴旋转的支架同轴；位置编码器始终随绕Y轴转动支架旋转，因而时刻在检测整体台架的Y轴向转角；而力矩传感器则通过制动器与绕Y轴转动支架连接，仅在制动器抱轴的时候检测此支架受到的Y轴方向扭矩；为补偿传感器重量，在支架框体上设置有多个配重挂载点；

所述两个旋转支架，其二为绕Y轴转动的旋转支架，绕Y轴转动的旋转支架上的位置编码器、力矩传感器和制动器与被测对象的输出轴同轴，且均位于支架上部；位置编码器直接与被测轴连结，时刻在检测整体台架的Z轴向转角；力矩传感器由于与被测轴的空间被位置编码器遮挡，经过两级套筒后由制动器与被测轴连结，且仅在制动器抱轴的时候检测此支架受到的Z轴方向扭矩；为补偿传感器重量，在支架框体下部设置有多个配重挂载点。

2.一种三自由度球形电机姿态、力矩检测方法，利用权利要求1所述的三自由度球形电机姿态、力矩检测台架，其特征在于：三个自由度上的位置和扭矩必须分开测试，具体检测的方法为：

当所有三个制动器松轴，整体台架处于自由运动状态，记录位置编码器的读数即可得到测对象当前位置的三自由度角位移；测量单姿态点的力矩时，在台架达到指定姿态时将所有三个制动器抱轴，记录力矩传感器可得当前位置的三自由度扭矩数值；

测量特定通电策略下球形电机的运动轨迹及力矩情况时，先将三个制动器松轴，给电机施加特定的驱动电流，测量记录三个位置传感器的读数，得到空间运动轨迹；将运动轨迹细分为若干离散位置点，将台架人为调整至每一个位置点后，驱动电流供电，制动器抱轴，记录各位置点被测对象的驱动力矩；连线描点，即可得到此特定通电策略下的输出力矩曲线。