CN110696046A - 模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法，采用的模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置包括控制系统、第一电机控制电路、第二电机控制电路、第一输入伺服电机、第一减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器、双轴承座、变惯量杆臂、转轴、第二输入伺服电机、第二减速器、第三联轴器、质量滑块、摆臂、滑动轴承座、转动轴、第一支撑底座、第二支撑底座、第三支撑底座、第四支撑底座和滑槽底座，本发明综合了惯性动态变化，既可以变化惯量也可以变化负载，负载控制系统能够满足多种复杂负载的情况，能够简要的模拟关节运动状况。

Description

模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及关节伺服控制系统测试领域，涉及变负载变惯量的实验装置领域，更具体的说，尤其涉及一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法。

背景技术

目前直接在工业机器人关节上进行伺服电机控制算法的实验需要攻克诸多技术难点，且数据采集困难，因此研究多局限于软件仿真阶段。为了有效的进行实验来验证控制算法的可靠性、控制精度等。设计了模拟工况的实验方法，考虑到负载和惯量时变。

现有的负载模拟装置一般采用的加载方式为机械加载、电液伺服加载、电磁加载和电机加载、惯量模拟加载装置等。机械加载主要优点是工作可靠，结构简单，缺点是不能实现连续变化的载荷谱，且不能在运转中加载或调整载荷。电液伺服加载可实现连续加载，且频带较宽，输出负载力矩大，但是存在液压源体积大、噪声大，容易产生多余力矩等缺点。电机加载设备目前主要采用直流电机或力矩电机，直流电机作为加载元件存在电枢电流大，功率损失大，由于换向器的存在，对提供“正、反转的力矩”不便。惯量模拟加载装置多采用惯量盘等，通过调节惯量盘尺寸和质量实现改变惯量的目的，因惯量盘安装同轴度等问题，或采用一些结构复杂的变惯量飞轮等，或不同时具备变惯量变负载的功能都造成一定的实验难度。

针对此类问题，设计实验方法。模拟工业机器人工况，如在运动过程突增负载，惯量类正弦变化等，设计变惯量变负载的结构，利用传感器采集到足够数据，用以算法性能研究等。

发明内容

本发明的目的在于解决现有负载模拟装置结构复杂，惯量或负载不能时变，或不同时具备变惯量变负载的功能，或直接在工业机器人上但采集不到需要的数据，分析难度大，对此提出了模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法，能够综合惯性动态变化，满足多种复杂时变负载，模拟关节运动工况。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法，采用模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置，所述模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置包括控制系统、第一电机控制电路、第二电机控制电路、第一输入伺服电机、第一减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器、双轴承座、变惯量杆臂、转轴、第二输入伺服电机、第二减速器、第三联轴器、质量滑块、摆臂、滑动轴承座、转动轴、第一支撑底座、第二支撑底座、第三支撑底座第四支撑底座和滑槽底座，

所述第一输入伺服电机和第一减速器均固定在第三支撑底座上，第一输入伺服电机的输出轴依次连接第一减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器和转轴，所述动态扭矩传感器固定在所述第二支撑底座上，所述转轴通过双轴承座支撑，双轴承座固定在第一支撑底座上；所述第二输入伺服电机和第二减速器均固定在第四支撑底座上，第二输入伺服电机的输出轴依次连接第二减速器、第三联轴器和转动轴，所述滑动轴承座可以通过定位螺钉固定在滑槽底座不同定位孔上实现所述转动轴的轴心线与转轴的轴心线平行且距离可变；所述第一支撑底座、第二支撑底座、第三支撑底座、第四支撑底座和滑槽底座均固定在工作台面上；第一支撑底座与滑槽底座之间的工作台面上有开口槽，使装置在运动过程中不发生干涉，转动轴套装在滑动轴承座并通过滑动轴承座进行支撑，所述转动轴与摆臂的一端固定连接，所述摆臂的另一端通过铰链在质量滑块上，所述质量滑块上设置有与变惯量杆臂相配合的通孔，质量滑块套装在变惯量杆臂上；所述变惯量杆臂与转轴平键连接，并用轴端挡圈限位；

所述第一电机控制电路、第二电机控制电路、角度传感器、动态扭矩传感器均属于控制系统硬件部分，所述控制系统控制第一输入伺服电机的运动，所述控制系统控制第二输入伺服电机输出负载；所述实验方法具体包括如下步骤：

步骤一：控制系统通过第一电机控制电路控制第一输入伺服电机的输出，第一输入伺服电机经过第一减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器后向转轴传递扭矩，带动变惯量杆臂的转动；与此同时，变惯量杆臂带动质量滑块沿摆臂旋转中心旋转的同时沿变质量杆臂轴向滑动，实现惯量的动态变化；

步骤二：角度传感器检测转轴转动的角度，并将转轴转动的角度的位置信号反馈到控制系统中；

利用控制系统位置控制器控制算法进行误差计算和相应数据处理，通过矢量控制技术，将采集到的永磁同步电机ABC相电流，通过坐标变换，即自然坐标系(ABC)通过clark变换成静止坐标系(α-β)得到i_α、i_β，通过park变换成同步旋转坐标系(d-q)，其中d轴方向为永磁体励磁磁场方向，q轴方向为垂直于转子磁场方向，得到i_d、i_q，分别将id,iq反馈给PI电流控制器形成电流闭环，再将位置信号经过计算得出速度信号反馈给PI速度控制器实现速度闭环，直接将位置信号反馈给位置控制器，形成三闭矢量控制；最终得出q轴电流i_q ^*，i_q ^*为电流目标信号，d轴电流i_d ^*＝0；根据同步旋转坐标系下电流电压关系计算出在旋转坐标系(d-q)下的电压输入值U_d、U_q，通过电压脉宽调制输出SVPWM信号传递给驱动器，驱动第一输入伺服电机，实现位置的控制；其中ω_e为电角速度，L_d、L_q为d轴、q轴电感系数，P_n为电机极对数；

步骤三：启动第二输入伺服电机，利用控制系统控制第二输入伺服电机输出同向或反向的负载扭矩通过转动轴传递到摆臂，从而给质量滑块施加负载作用于变惯量杆臂上，实现负载的动态变化，同时不停重复第二步骤，进行精准的位置控制；

步骤四：在以上过程中动态扭矩传感器始终保持扭矩信号的采集，并将采集到的扭矩信息发送到控制系统中实现对负载扭矩的控制，利用控制系统不断记录扭矩信息，观察其实际负载情况；

步骤五：改变第二输入伺服电机输出负载情况或改变转动轴旋转中心与变惯量杆臂旋转中心的距离b，或调整a的长度实现惯量的不同变化，模拟不同工况机器人关节负载惯量特性，重复上述步骤，观察在不同负载惯量变化下位置控制算法的控制性能；

步骤六：改变位置控制器算法重复以上步骤，采集相应数据，在相同工况下，对比分析不同位置控制器算法的控制性能。

进一步的，所述摆臂上设置有至少三个等距分布的铰接孔，铰链铰接在摆臂的其中一个铰接孔上。通过铰链铰接在摆臂的不同的铰接孔上手动调节质量滑块的质心位置。

进一步的，所述输入伺服电机的输出轴、第一减速器、第一联轴器、动态扭矩传感器、第二联轴器、角度传感器和转轴的轴心线位于同一条直线上。

进一步的，所述第一输入伺服电机和第二输入伺服电机均为永磁同步电机。

进一步的，所述第一联轴器、第二联轴器、第三联轴器和第三联轴器均为弹性联轴器。

进一步的，所述转轴为多段阶梯轴，包括依次连接的第一直线段、第二直线段、第三直线段、第三台阶段和第四直线段，第一直线段、第二直线段和第三台阶段的直径逐渐增大，所述第一直线段和第四直线段上设置有键槽，所述第二直线段靠近第一直线段的一端设置有传感器定位槽，所述转轴的第一直线段与第三联轴器通过键连接，所述变惯量杆臂的一端设置有与转轴的第四直线段外径间隙配合的套筒，变惯量杆臂的套筒与转轴的第四直线段通过键固定连接；所述转轴的第二直线段通过轴承支撑在第一双轴承座上，变惯量杆臂的一端通过转轴的第三台阶段进行轴向定位；所述角度传感器为中空盘形角位移传感器，角度传感器的外部固定座固定在第一双轴承座上，角度传感器的转动端套装在转轴的第二直线段设置有传感器定位槽的一端，角度传感器的转动端通过转轴上的传感器定位槽进行固定及定位。角度传感器内部的转动端随着转轴的转动跟随转动。

本发明的具体工作原理如下：本发明主要用来模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验，即对用于模拟工业机器人关节的变惯量杆臂做到既能变惯量又能变负载的功能，通过控制系统控制第一输入伺服电机输出扭矩，将扭矩传递到减速器上进行增扭，最终带动转轴和外加负载的变惯量杆臂的运动，外加负载通过第二输入伺服电机实现，第二输入伺服电机工作时通过第三联轴器与转动轴连接，通过与转动轴固定连接的摆臂施加同向或反向的负载到质量滑块上，实现模拟变惯量杆臂的负载变化功能，即模拟在工业机器人抓取物体时突增负载等状况。变惯量杆臂的惯量变化则通过质量滑块实现，在第一输入伺服电机转动时，由于质量滑块与转动轴通过摆臂铰接，质量滑块会绕着转动轴旋转，进而实现质量滑块在变质量杆臂轴向进行一定范围内轴向移动，使质量滑块的质心到旋转中心的半径不断变化。设质量滑块的质量为m1，变惯量杆臂质量为m2，长度为L，a为质量滑块到转动轴的距离，b为转动轴轴心与转轴轴心之间的距离，c为质量滑块到转轴轴心的距离，转轴转过的角度为θ。则

且a，b可调，c随θ变化的曲线为类正弦曲线。通过转动惯量的计算公式：

可知在杆臂旋转过程中实现了惯量的动态变化，且接近工业机器人惯量变化特性。假设第二输入伺服电机施加在质量滑块上的力为F，则负载力矩为T＝Fc。

角度传感器检测转动角度，利用角度传感器获得的未知信号反馈到控制系统中，通过闭环控制第一输入伺服电机的输出，实现对变惯量杆臂的位置的精确控制。动态扭矩传感器财采集扭矩信号，并利用扭矩传感器获取的扭矩，保证变惯量杆臂的负载的精确控制并观察实际负载加载状况。

在进行实验时，保持控制器算法不变，改变惯量和负载，测得其位置信号随时间变化的曲线。保持惯量和负载不变，改变控制算法，继续实验测得位置变化曲线。对实验结构进行分析比较，完成对控制算法的实验研究。

本发明还运用到了常规的伺服控制系统对电机进行运动控制和直接转矩控制。

本发明的有益效果在于：

1、本发明综合了惯性动态变化和负载动态变化，能够简要地模拟多种复杂工况关节负载惯量特性变化。

2、本发明通过角度传感器检测角度信号反馈给控制系统，能够构成位置的控制闭环系统，动态扭矩传感器获取扭矩信号反馈，保证变惯量杆臂的负载。同时通过采集到的角度信号和扭矩信号来研究关节伺服系统控制算法性能。

3、本发明中θ为杆臂转过的角度，随着转轴旋转来实现对工业机器人惯量变化的模拟。同时第二机架工作台面上设置定位槽，可以改变摆臂的旋转中心与变惯量杆臂旋转中心的距离b，实现惯量的不同变化，其操作简单，安装方便，调节容易，便于实验过程变量的控制。

4、本发明采用第二输入伺服电机输出同向或反向变化的负载通过摆臂加载质量滑块上作用于变惯量机械臂上，实现模拟关节负载变化的功能。

附图说明

图1是本发明模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法框图。

图2是本发明的第二闭环矢量控制算法的矢量控制原理图。

图3是本发明的变惯量原理示意图。

图4是本发明变惯量时质量滑块的质点到转轴轴心线的距离c的变化曲线图。

图5是本发明一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置等轴测图。

图6是本发明一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置轴测图。

图7是本发明变惯量杆臂的结构示意图。

图8是本发明摆臂的结构示意图。

图9是本发明质量滑块、摆臂和变惯量杆臂连接处的局部剖视示意图。

图10是本发明转轴的结构示意图。

图中，1-第一输入伺服电机、2-第一减速器、3-第一联轴器、4-动态扭矩传感器、5-第二联轴器、6-角度传感器、7-双轴承座、8-转轴、9-变惯量杆臂、10-质量滑块、11-铰链、12-摆臂、13-转动轴、14-滑动轴承座、15-第三联轴器、16-第二减速器、17-第二输入伺服电机、18-第四支撑底座、19-滑槽底座、20-第一支撑底座、21-第二支撑底座、22-第三支撑底座、27-第一直线段、28-第二直线段、29-第三台阶段、30-第四直线段、31-传感器定位槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～10所示，一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置，包括第一输入伺服电机1、第一减速器2、第一联轴器3、动态扭矩传感器4、第二联轴器5、角度传感器6、双轴承座7、变惯量杆臂9、转轴8、第二输入伺服电机17、第二减速器16、第三联轴器15、质量滑块10、摆臂12、滑动轴承座14、转动轴13、第一支撑底座20、第二支撑底座21、第三支撑底座22第四支撑底座18和滑槽底座19。

所述第一输入伺服电机1和第一减速器2均固定在第三支撑底座22上，第一输入伺服电机1的输出轴依次连接第一减速器2、第一联轴器3、动态扭矩传感器4、第二联轴器5、角度传感器6和转轴8，所述动态扭矩传感器4固定在所述第二支撑底座21上，所述转轴8通过第一双轴承座7支撑，第一双轴承座7固定在第一支撑底座20上；所述第二输入伺服电机17和第二减速器16均固定在第四支撑底座18上，第二输入伺服电机17的输出轴依次连接第二减速器16、第三联轴器15和转动轴13，所述滑动轴承座14可以通过定位螺钉固定在滑槽底座19不同定位孔上实现所述转动轴13的轴心线与转轴8的轴心线平行且距离可变；所述第一支撑底座20、第二支撑底座21、第三支撑底座22、第四支撑底座18和滑槽底座19均固定在工作台面上；转动轴13套装在滑动轴承座14并利用滑动轴承座14进行支撑，所述转动轴13与摆臂12的一端固定连接，所述摆臂12的另一端通过铰链11在质量滑块10上，所述质量滑块10上设置有与变惯量杆臂9相配合的通孔，质量滑块10套装在变惯量杆臂9上；所述变惯量杆臂与转轴平键连接，并用轴端挡圈限位。

所述第一电机控制电路、第二电机控制电路、角度传感器6、动态扭矩传感器4均属于控制系统硬件部分，所述系统控制通过第一电机控制电路控制第一输入伺服电机1的运动，所述控制系统通过第二电机控制电路控制第二输入伺服电机17输出负载；所述实验方法具体包括如下步骤：

步骤一：控制系统控制第一输入伺服电机1的位置输出，第一输入伺服电机1经过第一减速器2、第一联轴器3、动态扭矩传感器4、第二联轴器5、角度传感器6后向转轴8传递扭矩，带动变惯量杆臂9的转动，与此同时，变惯量杆臂9带动质量滑块10沿摆臂12旋转中心旋转的同时沿变质量杆臂9轴向滑动，实现惯量的动态变化；

步骤二：角度传感器6检测转轴转动的角度，并将转轴8转动的角度的位置信号反馈到控制系统中；

利用控制系统位置控制器控制算法进行误差计算和相应数据处理，通过矢量控制技术，将采集到的永磁同步电机ABC相电流，通过坐标变换，即自然坐标系(ABC)通过clark变换成静止坐标系(α-β)得到i_α、i_β，通过park变换成同步旋转坐标系(d-q)，其中d轴方向为永磁体励磁磁场方向，q轴方向为垂直于转子磁场方向，得到i_d、i_q，分别将i_d,i_q反馈给PI电流控制器形成电流闭环，再将位置信号经过计算得出速度信号反馈给PI速度控制器实现速度闭环，直接将位置信号反馈给位置控制器，形成三闭矢量控制；最终得出q轴电流i_q ^*，i_q ^*为电流目标信号，d轴电流i_d ^*＝0；根据同步旋转坐标系下电流电压关系计算出在旋转坐标系(d-q)下的电压输入值U_d、U_q，通过电压脉宽调制输出SVPWM信号传递给驱动器，驱动第一输入伺服电机，实现位置的控制；其中ω_e为电角速度，L_d、L_q为d轴、q轴电感系数，P_n为电机极对数；

步骤三：启动第二输入伺服电机17，利用控制系统控制第二输入伺服电机17输出同向或反向的负载扭矩通过转动轴13传递到摆臂12，从而给质量滑块10施加负载作用于变惯量杆臂9上，实现负载的动态变化，同时不停重复第二步骤，进行精准的位置控制；

步骤四：在以上过程中动态扭矩传感器4始终保持扭矩信号的采集，并将采集到的扭矩信息发送到控制系统中实现对负载扭矩的控制，利用控制系统不断记录扭矩信息，观察其实际负载情况；

步骤五：改变第二输入伺服电机17输出负载情况或改变转动轴旋转中心与变惯量杆臂旋转中心的距离b，或调整a的长度实现惯量的不同变化，模拟不同工况机器人关节负载惯量特性，重复上述步骤，观察在不同负载惯量变化下位置控制算法的控制性能；

步骤六：改变位置控制器算法重复以上步骤，采集相应数据，在相同工况下，对比分析不同位置控制器算法的控制性能。

所述摆臂12上设置有至少三个等距分布的铰接孔，铰链11铰接在摆臂的其中一个铰接孔上。

所述输入伺服电机的输出轴、第一减速器2、第一联轴器3、动态扭矩传感器4、第二联轴器5、角度传感器6和转轴8的轴心线位于同一条直线上；

所述第一输入伺服电机1和第二输入伺服电机17均为永磁同步电机。所述第一联轴器3、第二联轴器5、第三联轴器15均为弹性联轴器。

所述转轴8为多段阶梯轴，包括依次连接的第一直线段27、第二直线段28、第三直线段、第三台阶段29和第四直线段30，第一直线段27、第二直线段28和第三台阶段29的直径逐渐增大，所述第一直线段27和第四直线段30上设置有键槽，所述第二直线段28靠近第一直线段27的一端设置有传感器定位槽31，所述转轴8的第一直线段27与第三联轴器15通过键连接，所述变惯量杆臂9的一端设置有与转轴8的第四直线段30外径间隙配合的套筒，变惯量杆臂9的套筒与转轴8的第四直线段30通过键固定连接；所述转轴8的第二直线段28通过轴承支撑在第一双轴承座7上，变惯量杆臂9的一端通过转轴8的第三台阶段29进行轴向定位；所述角度传感器6为中空盘形角位移传感器，角度传感器6的外部固定座固定在第一双轴承座7上，角度传感器6的转动端套装在转轴8的第二直线段28设置有传感器定位槽31的一端，角度传感器6的转动端通过转轴8上的传感器定位槽31进行固定及定位。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (6)

1.模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法，其特征在于：采用模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置，所述模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置包括控制系统、第一电机控制电路、第二电机控制电路、第一输入伺服电机(1)、第一减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、第二联轴器(5)、角度传感器(6)、双轴承座(7)、变惯量杆臂(9)、转轴(8)、第二输入伺服电机(17)、第二减速器(16)、第三联轴器(15)、质量滑块(10)、摆臂(12)、滑动轴承座(14)、转动轴(13)、第一支撑底座(20)、第二支撑底座(21)、第三支撑底座(22)第四支撑底座(18)和滑槽底座(19)，

所述第一输入伺服电机(1)和第一减速器(2)均固定在第三支撑底座(22)上，第一输入伺服电机(1)的输出轴依次连接第一减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、第二联轴器(5)、角度传感器(6)和转轴(8)，所述动态扭矩传感器(4)固定在所述第二支撑底座(21)上，所述转轴(8)通过第一双轴承座(7)支撑，第一双轴承座(7)固定在第一支撑底座(20)上；所述第二输入伺服电机(17)和第二减速器(16)均固定在第四支撑底座(18)上，第二输入伺服电机(17)的输出轴依次连接第二减速器(16)、第三联轴器(15)和转动轴(13)，所述滑动轴承座(14)可以通过定位螺钉固定在滑槽底座(19)不同定位孔上实现所述转动轴(13)的轴心线与转轴(8)的轴心线平行且距离可变；所述第一支撑底座(20)、第二支撑底座(21)、第三支撑底座(22)、第四支撑底座(18)和滑槽底座(19)均固定在工作台面上；转动轴(13)套装在滑动轴承座(14)并利用滑动轴承座(14)进行支撑，所述转动轴(13)与摆臂(12)的一端固定连接，所述摆臂(12)的另一端通过铰链(11)在质量滑块(10)上，所述质量滑块(10)上设置有与变惯量杆臂(9)相配合的通孔，质量滑块(10)套装在变惯量杆臂(9)上；所述变惯量杆臂(9)与转轴(8)平键连接，并用轴端挡圈限位；

所述实验方法具体包括如下步骤：

步骤一：控制系统通过第一电机控制电路控制第一输入伺服电机(1)的输出，第一输入伺服电机(1)经过第一减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、齿轮传动箱、第二联轴器(5)、角度传感器(6)后向转轴(8)传递扭矩，带动变惯量杆臂(9)的转动；与此同时，变惯量杆臂(9)带动质量滑块(10)沿摆臂旋转中心旋转的同时沿变质量杆臂(9)轴向滑动，实现惯量的动态变化；

步骤二：角度传感器(6)检测转轴(8)转动的角度，并将转轴(8)转动的角度的位置信号反馈到控制系统中；

利用控制系统位置控制器控制算法进行误差计算和相应数据处理，通过矢量控制技术，将采集到的永磁同步电机ABC相电流，通过坐标变换，即自然坐标系(ABC)通过clark变换成静止坐标系(α-β)得到i_α、i_β，通过park变换成同步旋转坐标系(d-q)，其中d轴方向为永磁体励磁磁场方向，q轴方向为垂直于转子磁场方向，得到i_d、i_q，分别将id,iq反馈给PI电流控制器形成电流闭环，再将位置信号经过计算得出速度信号反馈给PI速度控制器实现速度闭环，直接将位置信号反馈给位置控制器，形成三闭矢量控制；最终得出q轴电流i_q ^*，i_q ^*为电流目标信号，d轴电流i_d ^*＝0；根据同步旋转坐标系下电流电压关系计算出在旋转坐标系(d-q)下的电压输入值U_d、U_q，通过电压脉宽调制输出SVPWM信号传递给驱动器，驱动第一输入伺服电机，实现位置的控制；其中ω_e为电角速度，L_d、L_q为d轴、q轴电感系数，P_n为电机极对数；

步骤三：启动第二输入伺服电机(17)，利用控制系统控制第二输入伺服电机(17)输出同向或反向的负载扭矩通过转动轴(13)传递到摆臂(12)，从而给质量滑块(10)施加负载作用于变惯量杆臂(9)上，实现负载的动态变化，同时不停重复第二步骤，进行精准的位置控制；

步骤四：在以上过程中动态扭矩传感器(4)始终保持扭矩信号的采集，并将采集到的扭矩信息发送到控制系统中实现对负载扭矩的控制，利用控制系统不断记录扭矩信息，观察其实际负载情况；

步骤五：改变第二输入伺服电机(17)输出负载情况或改变转动轴旋转中心与变惯量杆臂旋转中心的距离b，或调整a的长度实现惯量的不同变化，模拟不同工况机器人关节负载惯量特性，重复上述步骤，观察在不同负载惯量变化下位置控制算法的控制性能；

步骤六：改变位置控制器算法重复以上步骤，采集相应数据，在相同工况下，对比分析不同位置控制器算法的控制性能。

2.根据权利要求1所述的模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法，其特征在于：所述输入伺服电机的输出轴、第一减速器(2)、第一联轴器(3)、动态扭矩传感器(4)、第二联轴器(5)、角度传感器(6)和转轴(8)的轴心线位于同一条直线上。

3.根据权利要求1所述的一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法，其特征在于：所述第一输入伺服电机(1)和第二输入伺服电机(17)均为永磁同步电机。

4.根据权利要求1所述的一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法，其特征在于：所述第一联轴器(3)、第二联轴器(5)、第三联轴器(15)均为弹性联轴器。

5.根据权利要求1所述的模拟工业机器人关节变惯量变负载的实验方法，其特征在于：所述转轴(8)为多段阶梯轴，包括依次连接的第一直线段(27)、第二直线段(28)、第三直线段、第三台阶段(29)和第四直线段(30)，第一直线段(27)、第二直线段(28)和第三台阶段(29)的直径逐渐增大，所述第一直线段(27)和第四直线段(30)上设置有键槽，所述第二直线段(28)靠近第一直线段(27)的一端设置有传感器定位槽(31)，所述转轴(8)的第一直线段(27)与第三联轴器(15)通过键连接，所述变惯量杆臂(9)的一端设置有与转轴(8)的第四直线段(30)外径间隙配合的套筒，变惯量杆臂(9)的套筒与转轴(8)的第四直线段(30)通过键固定连接；所述转轴(8)的第二直线段(28)通过轴承支撑在第一双轴承座(7)上，变惯量杆臂(9)的一端通过转轴(8)的第三台阶段(29)进行轴向定位；所述角度传感器(6)为中空盘形角位移传感器，角度传感器(6)的外部固定座固定在第一双轴承座(7)上，角度传感器(6)的转动端套装在转轴(8)的第二直线段(28)设置有传感器定位槽(31)的一端，角度传感器(6)的转动端通过转轴(8)上的传感器定位槽(31)进行固定及定位。

6.根据权利要求1所述的一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验方法，其特征在于：假设转轴(8)与旋转轴(8)的轴心线距离为b，质量滑块(10)的质点到转轴(8)轴心线的距离为c，质量滑块(10)的质点到旋转轴(8)轴心线的距离为a，假设杆臂转过的角度为θ，可以得出

假设质量滑块(10)的质量为m₁，变惯量杆臂(9)的质量为m₂，变惯量杆臂(9)的长度为L，变惯量杆臂(9)总的转动惯量为J，根据转动惯量计算公式可得：

Images