CN111175223B - 一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定系统与方法，该系统包括配重物、滑轮、绳索、通过十字轴连接的两个绳驱机械臂关节、机械臂固定基座、拉力计、拉力计固定基座以及工作台，经设置滑轮将配重物的垂直方向的拉力转换成水平方向的拉力，两个绳驱机械臂关节的轴心平行于水平面，其中前端机械臂关节中轴线方向与绳索方向平行，绳索与前端机械臂关节的过孔无摩擦，后端机械臂关节的轴向与拉力计的拉伸方向与平行，十字轴竖直方向固定，只能在水平方向偏转，其中，根据绳索的前端方向与拉力计的拉力方向确定绳索偏转角度，并根据配重物的重量、拉力计的拉力值以及偏转角度计算摩擦系数。该标定系统与方法能够实现绳驱机械臂摩擦系数的准确标定。

Description

一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定系统与方法

技术领域

本发明涉及一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定系统与方法。

背景技术

绳驱机械臂为了保证整臂的轻量化和灵活性，往往采用绳驱这种驱动源后置的设计方案。这类设计使用多组绳索提供机械臂关节运动所需的驱动力和力矩，具有轻量、灵活、柔顺等优势，特别适合于狭小空间下的避障作业。绳驱机械臂可以穿越航天器的桁架结构和组件间隙，深入到结构内部进行探测、维修等任务。因此，绳驱机械臂的灵活性、柔顺性和细长特点使得其在空间狭小复杂环境中具有广阔的应用前景。

绳驱机械臂模型如图1所示。该绳驱机械臂主要由若干个关节组成，关节之间采用十字轴进行连接，如图2所示，其中具有三根绳索L1-L3。

绳驱机械臂由于绳索驱动的特点，不可避免地需要考虑绳索与过孔之间的摩擦力。摩擦力对绳驱机械臂控制效果非常重要，精确的摩擦系数标定是提高绳驱机械臂的控制精度的有力保证。现有的方案只能采用两种材料之间的接触摩擦来确定摩擦系数，但该摩擦系数的测量方式往往实在平面上测量，与绳索驱动的绳驱机械臂有着较大的区别，因此不能检测绳索穿过孔的摩擦系数。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定系统与方法，以准确检测绳索穿过孔的摩擦系数。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定系统，包括配重物、滑轮、绳索、通过十字轴连接的两个绳驱机械臂关节、机械臂固定基座、拉力计、拉力计固定基座以及工作台，所述配重物悬挂在所述绳索的前端，所述绳索经过所述滑轮后穿过所述两个绳驱机械臂关节的过孔，所述绳索的后端固定在所述拉力计上，所述滑轮安装在所述工作台上，所述两个绳驱机械臂关节和所述拉力计分别通过所述机械臂固定基座和所述拉力计固定基座固定在所述工作台上，经设置所述滑轮将所述配重物的垂直方向的拉力转换成水平方向的拉力，所述两个绳驱机械臂关节的轴心平行于水平面，其中前端机械臂关节中轴线方向与绳索方向平行，所述绳索与前端机械臂关节的过孔无摩擦，后端机械臂关节的轴向与所述拉力计的拉伸方向与平行，所述十字轴竖直方向固定，只能在水平方向偏转，其中，根据所述绳索的前端方向与所述拉力计的拉力方向确定所述绳索经过所述两个绳驱机械臂关节后的偏转角度，并根据所述配重物的重量、所述拉力计的拉力值以及所述偏转角度计算绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数。

进一步地：

所述偏转角度不超过16°。

所述拉力计固定基座上设置有多个安装孔位，用于将所述拉力计先后固定在水平方向的不同位置，改变所述拉力计的拉力方向，以在不同的所述偏转角度下测量摩擦系数。

所述拉力计固定基座为扇形，每个安装孔位具有四个围成长方形的孔，与所述拉力计的背面螺丝孔对应，各安装孔位沿扇形的圆弧方向间隔分布。

一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定方法，使用所述的标定系统进行绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定。

进一步地：

根据下式计算摩擦系数：

其中μ表示摩擦系数，η表示绳索的偏转角度，F_前表示往前端方向的绳索拉力，F_后表示往后端方向的绳索拉力。

所述方法包括以下步骤：

a.将所述绳索穿过所述两个绳驱机械臂关节的过孔，并将所述绳索的后端固定在所述拉力计上；

b.调节所述拉力计的方向达到某一个预定角度，将所述拉力计固定到所述拉力计固定基座上，并将所述两个绳驱机械臂关节固定到所述机械臂固定基座上；

c.以逐渐增加砝码重量的方式将配重砝码固定到所述绳索的前端，其中，每改变一次砝码重量，记录砝码重量和拉力计的读数；

d.所述绳索拉直后，测量所述绳索经过所述两个绳驱机械臂关节后的偏转角度；

e.利用步骤c和d得到的数据，计算绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数。

步骤c中，砝码重量从1kg以0.1kg的间隔递增到2kg。

步骤e中，计算在不同砝码重量下的摩擦系数，去掉最大值以及最小值，再取平均值。

所述方法还包括：改变所述拉力计在所述拉力计固定基座上的固定位置以改变所述偏转角度，并用步骤e计算得到的摩擦系数计算拉力计读数的预测值，将预测值与改变所述偏转角度后得到的拉力计读数进行比较，以验证步骤e计算得到的摩擦系数的有效性。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数的标定系统和方法，解决了绳索驱动绳驱机械臂的驱动绳索与过孔之间的摩擦系数难以确定的问题，能够实现对绳驱机械臂摩擦系数的准确标定。验证结果表明，通过本发明测试得到的摩擦系数有着很好的预测能力，可以用于实际绳索驱动绳驱机械臂的绳索与过孔的摩擦系数测量中。本发明可用于测量各种不同机械机构绳驱机械臂的过孔与绳索之间的摩擦系数。进一步地，本发明通过设计拉力计固定基座来调整拉力计的测量角度，增加了测量角度的范围，保证测量角度的多样性，进而提高了测量数据的可靠性。

附图说明

图1为绳驱机械臂模型图。

图2为单关节机械结构图。

图3为本发明实施例实现摩擦系数标定的原理图。

图4为本发明实施例的绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定系统结构图。

图5为本发明实施例中的绳索穿过机械臂的示意图。

图6为本发明实施例中的拉力计固定基座的俯视图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于连通/耦合作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参阅图3至图6，本发明实施例提出一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定系统，包括配重物、滑轮、绳索、通过十字轴连接的两个绳驱机械臂关节、机械臂固定基座、拉力计、拉力计固定基座以及工作台，所述配重物悬挂在所述绳索的前端，所述绳索经过所述滑轮后穿过所述两个绳驱机械臂关节的过孔，所述绳索的后端固定在所述拉力计上，所述滑轮安装在所述工作台上，所述两个绳驱机械臂关节和所述拉力计分别通过所述机械臂固定基座和所述拉力计固定基座固定在所述工作台上，经设置所述滑轮将所述配重物的垂直方向的拉力转换成水平方向的拉力，所述两个绳驱机械臂关节的轴心平行于水平面，其中前端机械臂关节中轴线方向与绳索方向平行，所述绳索与前端机械臂关节的过孔无摩擦，后端机械臂关节的轴向与所述拉力计的拉伸方向与平行，所述十字轴竖直方向固定，只能在水平方向偏转，其中，根据所述绳索的前端方向与所述拉力计的拉力方向确定所述绳索经过所述两个绳驱机械臂关节后的偏转角度，并根据所述配重物的重量、所述拉力计的拉力值以及所述偏转角度计算绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数。

在典型的实施例中，配重物为砝码，但本发明对配重物的形式不作限制。

在优选的实施例中，所述绳索为钢丝绳。

在优选的实施例中，所述偏转角度不超过16°。

参阅图6，在优选的实施例中，所述拉力计固定基座上设置有多个安装孔位，用于将所述拉力计先后固定在水平方向的不同位置，改变所述拉力计的拉力方向，以在不同的所述偏转角度下测量摩擦系数。

参阅图6，在进一步优选的实施例中，所述拉力计固定基座为扇形，每个安装孔位具有四个围成长方形的孔，与所述拉力计的背面螺丝孔对应，各安装孔位沿扇形的圆弧方向间隔分布。

一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定方法，使用所述的标定系统进行绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定。

以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的检测。

检测系统介绍

本发明实施例的检测系统如下图4所示。图4中①表示配重砝码，其功能为：产生稳定的绳索拉力；②表示陶瓷轴承滑轮，其功能为：将垂直方向的拉力转换成水平方向，并且大大减少摩擦力的影响；③表示钢丝绳，其为测试用的304钢丝绳；④表示固定基座，其功能为固定机械臂关节与工作台，并且确保机械臂的轴心平行于水平面；⑤表示单关节机械臂，其为测试用的铝制关节；⑥表示拉力计，其功能为测试后端的绳索拉力；⑦表示拉力计固定基座，其功能为固定拉力，使拉力计拉伸方向与后端关节的轴向平行。

通过砝码悬挂重物，可以对绳索施加一个恒定的拉力，拉力先经过陶瓷轴承的滑轮，使得绳索方向与机械臂关节中轴线方向平行，确保拉力与根部过孔无摩擦。两个绳驱机械臂关节通过十字轴连接，再通过基座固定在工作台上。第一个关节的中轴线方向与根部绳索方向平行。十字轴只有水平方向的偏转，竖直方向通过工装固定住，保证测试过程中，关节始终处于水平旋转状态。拉力经过孔传递后，拉力计端的绳索拉力会因为摩擦力的影响而与配重砝码所产生的重力不一致。拉力计的方向与第二个关节的方向保持平行。通过测量根部绳索方向与拉力计方向绳索的反向，可以测得绳索经过两个关节后的偏转角度。

图5示出实施例中的绳索穿过绳驱机械臂关节。图6为实施例的拉力计固定基座的俯视图。该拉力计固定基座设计了多个孔位，与拉力计的背面螺丝孔对应。每四个围成长方形的孔位对应一个安装点。可以通过孔位的配合，把拉力计固定在不同的位置。通过改变拉力计的安装位置，可以改变测量角度，进而可以得到不同角度下测量得到的摩擦力系数。

本发明在该检测系统的基础上设计标定方法，可靠检测出绳索与过孔的摩擦系数。

检测原理以及方法

本检测方法结合绳索与过孔摩擦模型，利用如图3中a表示的皮带模型得到摩擦系数的标定公式。绳索穿过孔后的拉力传递关系如图3中b所示。μ表示摩擦系数，η表示传递前后的力偏转角度。F_前表示往根部方向的绳索拉力，F_后表示往后端方向的绳索拉力。力的传递原理图如图3所示。

||F_后||＝||F_前||e^-μη (1)

根据公式(1)可以得到摩擦系数的计算图如下图所示。

标定过程如下：

1)选取两个小节组成的单关节机械臂以及304钢丝绳作为测试材料；

2)确保实验平台，满足以下几项性能：

保证绳索在平行于水平面的平面上运动，即关节的轴向平行于过孔轴向且平行于水平面；

绳索只在关节处发生弯曲形变，其余位置拉直；

滑轮的摩擦力可以忽略不计；

配重砝码施加方向始终垂直向下；

拉力计的方向平行于第二个小节的轴心方向；

标定时，优选关节偏转角度不超过16°，从而避免钢丝绳因为变形导致与过孔互相挤压造成的摩擦力影响。

3)通过以下几个步骤进行标定：

a.将钢丝绳穿过基座以及机械臂关节的过孔，并且一端固定在拉力计上；

b.调节拉力计的方向达到某一个角度，再将拉力计固定到基座上，同时固定机械臂关节，确保关节不再发生偏转；

c.将砝码固定在钢丝绳的另一端，砝码重量从1kg以0.1间隔递增到2kg，通过缓慢放置砝码，保证摩擦力的方向始终指向拉力计方向。每改变一次砝码重量，记录砝码重量和拉力计的读数；

d.绳索拉直后，测量关节的偏转角度；

e.利用以上实验数据，计算摩擦系数，去掉最大值以及最小值，再取平均值。

4)改变偏转角度两次，用第一组数据计算得到的摩擦系数计算拉力计读数的预测值，验证该参数的有效性。

标定结果及应用

通过采用本发明设计的实验系统，以及设计的试验方法。在两节的绳驱机械臂之间标定钢丝绳与铝合金材质的绳驱机械臂关节的过孔摩擦系数的大小。实验结果如下表1所示。标定的实验偏转角度为15.58°。

表1通过测试得到摩擦系数值(偏转角度：15.58°)

表2采用计算的摩擦系数进行预测(偏转角度：-16.66°)

通过以上的实验数据，可以得到钢丝绳与铝合金过孔的摩擦系数为0.309。再进一步调整拉力计的方向，通过该测得的摩擦系数验证其他不同角度下的拉力读数如表2所示。为了说明该验证结果的有效性，定义预测拉力精度的计算公式如下所示：

拉力预测精度＝(1-|预测值-测量值|÷测量值)×100(％) (3)

以上验证结果表明，通过该实验平台测试得到的摩擦系数有着很好的预测能力，可以用于实际绳索驱动绳驱机械臂的绳索与过孔的摩擦系数测量中。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定系统，其特征在于，包括配重物、滑轮、绳索、通过十字轴连接的两个绳驱机械臂关节、机械臂固定基座、拉力计、拉力计固定基座以及工作台，所述配重物悬挂在所述绳索的前端，所述绳索经过所述滑轮后穿过所述两个绳驱机械臂关节的过孔，所述绳索的后端固定在所述拉力计上，所述滑轮安装在所述工作台上，所述两个绳驱机械臂关节和所述拉力计分别通过所述机械臂固定基座和所述拉力计固定基座固定在所述工作台上，经设置所述滑轮将所述配重物的垂直方向的拉力转换成水平方向的拉力，所述两个绳驱机械臂关节的轴心平行于水平面，其中前端机械臂关节中轴线方向与绳索方向平行，所述绳索与前端机械臂关节的过孔无摩擦，后端机械臂关节的轴向与所述拉力计的拉伸方向平行，所述十字轴竖直方向固定，测试过程中只能在水平方向偏转，其中，根据所述绳索的前端方向与所述拉力计的拉力方向确定所述绳索经过所述两个绳驱机械臂关节后的偏转角度，并根据所述配重物的重量、所述拉力计的拉力值以及所述偏转角度计算绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数。

2.如权利要求1所述的标定系统，其特征在于，所述偏转角度不超过16°。

3.如权利要求1或2所述的标定系统，其特征在于，所述拉力计固定基座上设置有多个安装孔位，用于将所述拉力计先后固定在水平方向的不同位置，改变所述拉力计的拉力方向，以在不同的所述偏转角度下测量摩擦系数。

4.如权利要求1或2所述的标定系统，其特征在于，所述拉力计固定基座为扇形，每个安装孔位具有四个围成长方形的孔，与所述拉力计的背面螺丝孔对应，各安装孔位沿扇形的圆弧方向间隔分布。

5.一种绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定方法，其特征在于，使用如权利要求1至4任一项所述的标定系统进行绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数标定。

6.如权利要求5所述的标定方法，其特征在于，根据下式计算摩擦系数：

其中μ表示摩擦系数，η表示绳索的偏转角度，F_前表示往前端方向的绳索拉力，F_后表示往后端方向的绳索拉力。

7.如权利要求5或6所述的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将所述绳索穿过所述两个绳驱机械臂关节的过孔，并将所述绳索的后端固定在所述拉力计上；

b.调节所述拉力计的方向达到某一个预定角度，将所述拉力计固定到所述拉力计固定基座上，并将所述两个绳驱机械臂关节固定到所述机械臂固定基座上；

c.以逐渐增加砝码重量的方式将配重砝码固定到所述绳索的前端，其中，每改变一次砝码重量，记录砝码重量和拉力计的读数；

d.所述绳索拉直后，测量所述绳索经过所述两个绳驱机械臂关节后的偏转角度；

e.利用步骤c和d得到的数据，计算绳驱机械臂绳索与过孔摩擦系数。

8.如权利要求7所述的标定方法，其特征在于，步骤c中，砝码重量从1kg以0.1kg的间隔递增到2kg。

9.如权利要求7所述的标定方法，其特征在于，步骤e中，计算在不同砝码重量下的摩擦系数，去掉最大值以及最小值，再取平均值。

10.如权利要求7所述的标定方法，其特征在于，还包括：改变所述拉力计在所述拉力计固定基座上的固定位置以改变所述偏转角度，并用步骤e计算得到的摩擦系数计算拉力计读数的预测值，将预测值与改变所述偏转角度后得到的拉力计读数进行比较，以验证步骤e计算得到的摩擦系数的有效性。

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