CN111993398A - 一种用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置，包括驱动组件、张紧装置、前固定板、后固定板、被动绳索、主动绳索。驱动组件通过主动绳索与所述柔性机械臂固连，用于驱动柔性机械臂关节转动；所述张紧装置通过被动绳索与所述柔性机械臂固定，用于张紧被动绳索并通过测量设备测量其被动移动的距离，用于计算绳索位移误差，并且可以为后续测出机械臂空间运动轨迹，与理论之间进行比较。本发明能够对存在绳长误差时机械臂执行末端位置进行模拟，并测出空间运动轨迹，与理论计算作对比和分析误差，从而为绳驱柔性机械臂的研究和改进设计提供基础。

Description

一种用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置

技术领域

本发明涉及一种用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置，属于机器人技术领域。

背景技术

现在的绳驱柔性机械臂大都采用三电机驱动单关节的方式，对于超冗余柔性机械臂而言所需的电机数目大大增加，因此提出一种闭环绳驱柔性机械臂，仅有两电机驱动单关节形式。但是，当绳索采用理论计算长度去驱动柔性机械臂时，实际绳长会存在一定误差，会影响机器人执行末端的位置精度。因此，对绳长误差导致的机器人执行末端位置精度进行研究显得尤为重要。

发明内容

本发明提供一种用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案一方面为一种用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置，其包括：前固定板，该前固定板包括多个通孔、用于安装柔性机械臂第一安装面、与第一安装面相反的第二安装面；与所述的前固定板平行布置的后固定板，其中在前固定板和后固定板之间限定一测试方向轴(Lc)，该测试方向轴(Lc)均与所述的前固定板和后固定板垂直；设置在所述的前固定板和后固定板之间的驱动组件和张紧装置，所述驱动组件通过主动绳索穿过前固定板的通孔而连接至所述的柔性机械臂的驱动绳索，所述张紧装置通过被动绳索穿过前固定板的通孔而连接至所述的柔性机械臂的另外的驱动绳索，其中，所述的驱动组件和张紧装置均包括长条形的支撑板和安装在支撑板上的滑轨，所述的支撑板的两端分别固定在前固定板和后固定板，所述的滑轨的方向与所述的测试方向轴(Lc)平行；其中，所述的驱动组件还包括卡线板，该卡线板由驱动组件的滑轨引导运动且连接至所述的主动绳索；其中，所述的张紧装置还包括测量滑块和设置在后固定板的张紧组件，该测量滑块由张紧装置的滑轨引导运动且固定所述的被动绳索，并且该被动绳索穿过所述的测量滑块后再穿过所述的后固定板，然后被张紧组件拉紧。

进一步，所述的驱动组件包括动滑轮，所述的卡线板具有U形截面，使得所述动滑轮的轮轴由卡线板支撑时，至少一部分的动滑轮能够在卡线板内转动；穿过前固定板的主动绳索绕所述的动滑轮后固定到所述的前固定板的第二安装面上。进一步，所述的驱动组件包括：沿所述的测试方向轴(Lc)布置在前固定板和后固定板之间的丝杠，该丝杠一端定位在前固定板的一个孔中，另一端通过轴承座安装在后固定板；与丝杠配合的螺母，该螺母带动所述的卡线板沿直线运动；通过电机座安装到所述的后固定板的电机，该电机通过联轴器连接至所述的丝杠的输入端。

进一步，所述的张紧装置的张紧组件包括砝码和固定在后固定板的纵向滑轮，其中，穿过后固定板的被动绳索绕所述纵向滑轮后连接至所述砝码，使得所述砝码的重力维持所述被动绳索的张紧度。

进一步，所述的前固定板与前角撑件固定连接，所述的后固定板与后角撑件固定连接，其中所述的前角撑件和后角撑件设有安装孔，用于定位所述的前固定板和后固定板垂直地安装至一水平面；所述的纵向滑轮的轮轴与测试方向轴(Lc)垂直，使得完全基于所述砝码自身重力进行所述被动绳索的牵引。

进一步，所述的用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置还包括设置在测量滑块上的第一测量元件，其中与该第一测量元件关联的测量设备输出所述的被动绳索的线性移动距离信息。

进一步，所述的闭环绳驱柔性机械臂包括联动关节段，该联动关节段至少两个臂杆以及连接在臂杆之间的转动模块，其中所述的转动模块包括上转动轴、上短转动销、上长转动销、转动连杆、下长转动销、下短转动销和下转动轴，其中：一个臂杆通过上长转动销与上转动轴形成转动连接，上转动轴通过上短转动销与转动连杆的一端形成转动连接；另一个臂杆通过下长转动销与下转动轴形成转动连接，下转动轴通过下短转动销与转动连杆的另一端形成转动连接；上转动轴和下转动轴之间能够互成180度并且具有偏距。

进一步，所述的联动关节段由四根沿联动关节段的中轴均布的驱动绳索所带动，所述的驱动绳索末端带有圆柱头或球头形状的端子，该端子与臂杆两端的布线圆盘面固定连接；两个驱动组件和两个张紧装置分别相对于所述测试方向轴(Lc)对称布置，所述驱动组件通过主动绳索连接至所述的柔性机械臂的相邻的驱动绳索，所述张紧装置通过被动绳索连接至所述的柔性机械臂的另外相邻的驱动绳索。

进一步，所述的用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置还包括安装在所述柔性机械臂的末端臂杆的第二测量元件，其中，通过与所述的第二测量元件关联的测量仪器跟踪所述柔性机械臂末端的运动轨迹。

本发明的技术方案第二方面为一种基于闭环绳驱柔性机械臂的测试方法，该机械臂连接至上述的测试装置。所述的测试方法包括以下步骤：向驱动组件的电机发送转速控制指令和转角控制指令，使得张紧装置维持对被动绳索的张紧度；通过与第一测量元件关联的测量设备输出所述的被动绳索的移动距离，通过所述电机的编码器数据和传动比例计算出主动绳索的移动距离，采集绳索移动误差和计算机械臂末端的空间运动轨迹数据；通过与第二测量元件关联的测量仪器跟踪获得柔性机械臂末端的实际运动轨迹数据；对比所述的空间运动轨迹数据和实际运动轨迹数据。

本发明的有益效果为：

提出用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置，能够对存在绳长误差时机械臂执行末端位置进行模拟，并测出空间运动轨迹，与理论计算作对比和分析误差，从而为绳驱柔性机械臂的研究和改进设计提供基础。

附图说明

图1为根据本发明实施例的用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置的立体图。

图2为根据本发明实施例的未连接至机械臂的测试装置在另一视角的立体图。

图3为根据本发明实施例的测试装置的驱动组件的细节图。

图4为根据本发明实施例的测试装置所连接的柔性机械臂的联动关节段的正视图。

图5为图4的闭环绳驱柔性机械臂其中一个关节的分解图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1，在一些实施例中，根据本发明的测试装置包括驱动组件100、张紧装置200、前固定板700、后固定板600、被动绳索300、主动绳索400。驱动组件100通过主动绳索400与所述柔性机械臂500固连，用于驱动柔性机械臂500关节转动；所述张紧装置200通过被动绳索300与所述柔性机械臂500固定，用于张紧被动绳索300并通过测量设备测量其被动移动的距离，用于计算绳索位移误差，并且可以为后续测出机械臂空间运动轨迹，与理论之间进行比较。

参照图1和图2，在一些实施例中，前固定板700包括多个通孔、用于安装柔性机械臂500第一安装面(图1中面向机械臂的表面)、与第一安装面相反的第二安装面(图1中面向后固定板600的表面)；后固定板600与所述的前固定板700平行布置，其中在前固定板700和后固定板600之间限定一测试方向轴(Lc)，该测试方向轴(Lc)均与所述的前固定板700和后固定板600垂直。驱动组件100通过主动绳索400穿过前固定板700的通孔而连接至所述的柔性机械臂500的驱动绳索，所述张紧装置200通过被动绳索300穿过前固定板700的通孔而连接至所述的柔性机械臂500的另外的驱动绳索。优选地，前固定板700与前角撑件701固定连接，所述的后固定板600与后角撑件601固定连接，其中所述的前角撑件701和后角撑件601设有安装孔，用于定位所述的前固定板700和后固定板600垂直地安装至一水平面。

参照图1至图3，驱动组件100包括长条形的支撑板110和安装在支撑板110上的滑轨120，所述的支撑板110的两端分别固定在前固定板700和后固定板600，滑轨120的方向与所述的测试方向轴(Lc)平行。驱动组件100还包括丝杠130、卡线板140、动滑轮150、螺母160、轴承座170、电机座180、电机190。卡线板140具有U形截面，使得所述动滑轮150的轮轴由卡线板140支撑时，至少一部分的动滑轮150能够在卡线板140内转动。主动绳索400绕过滑轮卡线板140的滑轮与前固定板700的第二安装面固定，因此可以利用动滑轮150的原理，当卡线板140直线运动一单位距离时主动绳索400被拉动两单位距离，从而缩短一半的卡线板140驱动行程。

丝杠130沿所述的测试方向轴(Lc)布置在前固定板700和后固定板600之间。丝杠130一端定位在前固定板700的一个孔中，另一端通过轴承座170安装在后固定板600。螺母160(比如是滚珠螺母160)与丝杠130配合，使得丝杆转动时，螺母160直线运动，从而带动卡线板140沿直线运动。通过电机座180安装到所述的后固定板600的电机190，该电机190通过联轴器连接至所述的丝杠130的输入端。

参照图2，张紧装置200包括支撑板110、滑轨120、测量滑块210和设置在后固定板600的张紧组件，该测量滑块210由张紧装置200的滑轨120引导运动且固定所述的被动绳索300，并且该被动绳索300穿过所述的测量滑块210后再穿过所述的后固定板600，然后被张紧组件拉紧。在本实施例中，张紧组件包括纵向滑轮220及砝码230。所述被动绳索300与张紧装置200上的测量滑块210固连，后另接绳索通过后固定板600的绳孔，绕过纵向滑轮220与砝码230固连，用于张紧被动绳索300。由于纵向滑轮220的轮轴与测试方向轴(Lc)垂直，使得完全基于所述砝码230自身重力进行所述被动绳索300的牵引。

测量滑块210上可以安装第一测量元件，由测量设备测量被动绳索300移动距离，与理论绳索移动距离比较，计算误差进行分析。例如，第一测量元件可以是直线光栅尺，测量设备可以是光栅器读头，其可以输出所述的被动绳索300的线性移动距离信息。

参照图4，其示出了根据本发明的测试装置所连接的柔性机械臂500的示意图。所述柔性机械臂500主要包括联动关节段。该联动关节段包括若干个关节以及联动模块。联动关节段依次串联的第一臂杆510、第二臂杆520、第三臂杆530以及第四臂杆540，它们之间都是由多个关节或转动模块550连接而成，依次命名为第一关节、第二关节、第三关节等。如图4所示，第一臂杆510固连三根互成120度的联动绳，穿过第一关节，在第二臂杆520处通过三个头尾互成180度的螺旋状导管，穿过第二关节固连在第三臂杆530上。当第一关节转动时，联动绳索总长度不变，第一关节处的联动绳发生改变，导致第二关节处的同一根联动绳索也发生相应的变化。由于采用三连杆对称式关节，关节处互成180度的绳索变化量相同，使得第一关节和第二关节处联动绳索变化量相等，以实现联动作用。同理，后续联动模块依次连接。

因此，优选地，参照图1和图2联动关节段由四根沿联动关节段的中轴均布的驱动绳索所带动，所述的驱动绳索末端带有圆柱头或球头形状的端子，该端子与臂杆两端的布线圆盘面固定连接。两个驱动组件100和两个张紧装置200分别相对于所述测试方向轴(Lc)对称布置，所述驱动组件100通过主动绳索400连接至所述的柔性机械臂500的相邻的驱动绳索，所述张紧装置200通过被动绳索300连接至所述的柔性机械臂500的另外相邻的驱动绳索。

参照图5，转动模块550包括上转动轴551、上短转动销552、上长转动销553、转动连杆554、下长转动销557、下短转动销555、下转动轴556、下臂杆组成。其中一个臂杆(如第一臂杆510)通过上长转动销553与上转动轴551形成转动连接。上转动轴551通过上短转动销552与转动连杆554形成转动连接。其中两个转动轴互成180度，具有一定的偏距。同理，转动连杆554与另一臂杆(如第二臂杆520)连接也是如此。但两个臂杆与转动连杆554连接处在臂杆轴向转动180度，并非位于同侧。该关节为三连杆对称分部式关节，具有偏航和俯仰两个方向上的自由度，互成180度的驱动绳索变化量大小相同，一增一减，达到两根绳索驱动关节的作用。

在一实施例中，在柔性机械臂500末端(如图1所示的远离测试装置前固定板700的最末端的臂杆)可安装第二测量元件，由测量仪器测出其空间运动轨迹，与理论计算作对比，分析轨迹误差。例如，所述第二测量元件是光学反射元件，所述测量仪器是激光跟踪仪。

在一些实施例中，基于本发明的测试装置的测试方法可以包括以下步骤：

S1、向驱动组件100的电机190发送转速控制指令和转角控制指令，使得张紧装置200维持对被动绳索300的张紧度。这里考虑到模拟柔性机械臂500的实际工况以及测试精度，所以需要速度控制保持被动绳索300的张紧度而不能出现松弛。

S2、通过与第一测量元件关联的测量设备输出所述的被动绳索300的移动距离，通过所述电机190的旋转编码器数据和传动比例计算出主动绳索400的移动距离，采集绳索移动误差和计算机械臂末端的理论运动轨迹数据。其中，传动比例的计算包括动滑轮150的行程比、丝杆螺母160机构的传动比等。然后，可以通过机械臂的运动学算法，利用绳索的位移及其误差来计算机械臂末端的运动轨迹。

S3、通过与第二测量元件关联的测量仪器跟踪获得柔性机械臂500末端的实际运动轨迹数据。

S4、对比所述的理论运动轨迹数据和实际运动轨迹数据。将测出的空间运动轨迹与理论计算作对比和分析误差，从而为绳驱柔性机械臂的研究和改进设计提供基础。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于闭环绳驱柔性机械臂的测试装置，其特征在于，包括：

前固定板(700)，该前固定板(700)包括多个通孔、用于安装柔性机械臂(500)第一安装面、与第一安装面相反的第二安装面；

与所述的前固定板(700)平行布置的后固定板(600)，其中在前固定板(700)和后固定板(600)之间限定一测试方向轴(Lc)，该测试方向轴(Lc)均与所述的前固定板(700)和后固定板(600)垂直；

设置在所述的前固定板(700)和后固定板(600)之间的驱动组件(100)和张紧装置(200)，所述驱动组件(100)通过主动绳索(400)穿过前固定板(700)的通孔而连接至所述的柔性机械臂(500)的驱动绳索，所述张紧装置(200)通过被动绳索(300)穿过前固定板(700)的通孔而连接至所述的柔性机械臂(500)的另外的驱动绳索，

其中，所述的驱动组件(100)和张紧装置(200)均包括长条形的支撑板(110)和安装在支撑板(110)上的滑轨(120)，所述的支撑板(110)的两端分别固定在前固定板(700)和后固定板(600)，所述的滑轨(120)的方向与所述的测试方向轴(Lc)平行；

其中，所述的驱动组件(100)还包括卡线板(140)，该卡线板(140)由驱动组件(100)的滑轨(120)引导运动且连接至所述的主动绳索(400)；

其中，所述的张紧装置(200)还包括测量滑块(210)和设置在后固定板(600)的张紧组件，该测量滑块(210)由张紧装置(200)的滑轨(120)引导运动且固定所述的被动绳索(300)，并且该被动绳索(300)穿过所述的测量滑块(210)后再穿过所述的后固定板(600)，然后被张紧组件拉紧。

2.根据权利要求1所述的用于闭环绳驱柔性机械臂(500)的测试装置，其特征在于：

所述的驱动组件(100)包括动滑轮(150)，所述的卡线板(140)具有U形截面，使得所述动滑轮(150)的轮轴由卡线板(140)支撑时，至少一部分的动滑轮(150)能够在卡线板(140)内转动；

穿过前固定板(700)的主动绳索(400)绕所述的动滑轮(150)后固定到所述的前固定板(700)的第二安装面上。

3.根据权利要求1或2所述的用于闭环绳驱柔性机械臂(500)的测试装置，其特征在于，所述的驱动组件(100)包括：

沿所述的测试方向轴(Lc)布置在前固定板(700)和后固定板(600)之间的丝杠(130)，该丝杠(130)一端定位在前固定板(700)的一个孔中，另一端通过轴承座(170)安装在后固定板(600)；

与丝杠(130)配合的螺母(160)，该螺母(160)带动所述的卡线板(140)沿直线运动；

通过电机座(180)安装到所述的后固定板(600)的电机(190)，该电机(190)通过联轴器连接至所述的丝杠(130)的输入端。

4.根据权利要求1所述的用于闭环绳驱柔性机械臂(500)的测试装置，其特征在于，所述的张紧装置(200)的张紧组件包括砝码(230)和固定在后固定板(600)的纵向滑轮(220)，其中，穿过后固定板(600)的被动绳索(300)绕所述纵向滑轮(220)后连接至所述砝码(230)，使得所述砝码(230)的重力维持所述被动绳索(300)的张紧度。

5.根据权利要求4所述的用于闭环绳驱柔性机械臂(500)的测试装置，其特征在于：

所述的前固定板(700)与前角撑件(701)固定连接，所述的后固定板(600)与后角撑件(601)固定连接，其中所述的前角撑件(701)和后角撑件(601)设有安装孔，用于定位所述的前固定板(700)和后固定板(600)垂直地安装至一水平面；

所述的纵向滑轮(220)的轮轴与测试方向轴(Lc)垂直，使得完全基于所述砝码(230)自身重力进行所述被动绳索(300)的牵引。

6.根据权利要求1所述的用于闭环绳驱柔性机械臂(500)的测试装置，其特征在于，还包括设置在测量滑块(210)上的第一测量元件，其中与该第一测量元件关联的测量设备输出所述的被动绳索(300)的线性移动距离信息。

7.根据权利要求1所述的用于闭环绳驱柔性机械臂(500)的测试装置，其特征在于，所述的闭环绳驱柔性机械臂(500)包括联动关节段，该联动关节段至少两个臂杆以及连接在臂杆之间的转动模块(550)，其中所述的转动模块(550)包括上转动轴(551)、上短转动销(552)、上长转动销(553)、转动连杆(554)、下长转动销(557)、下短转动销(555)和下转动轴(556)，其中：

一个臂杆通过上长转动销(553)与上转动轴(551)形成转动连接，上转动轴(551)通过上短转动销(552)与转动连杆(554)的一端形成转动连接；

另一个臂杆通过下长转动销(557)与下转动轴(556)形成转动连接，下转动轴(556)通过下短转动销(555)与转动连杆(554)的另一端形成转动连接；

上转动轴(551)和下转动轴(556)之间能够互成180度并且具有偏距。

8.根据权利要求7所述的用于闭环绳驱柔性机械臂(500)的测试装置，其特征在于：

所述的联动关节段由四根沿联动关节段的中轴均布的驱动绳索所带动，所述的驱动绳索末端带有圆柱头或球头形状的端子，该端子与臂杆两端的布线圆盘面固定连接；

两个驱动组件(100)和两个张紧装置(200)分别相对于所述测试方向轴(Lc)对称布置，所述驱动组件(100)通过主动绳索(400)连接至所述的柔性机械臂(500)的相邻的驱动绳索，所述张紧装置(200)通过被动绳索(300)连接至所述的柔性机械臂(500)的另外相邻的驱动绳索。

9.根据权利要求7所述的用于闭环绳驱柔性机械臂(500)的测试装置，其特征在于，还包括安装在所述柔性机械臂(500)的末端臂杆的第二测量元件，其中，通过与所述的第二测量元件关联的测量仪器跟踪所述柔性机械臂(500)末端的运动轨迹。

10.一种基于闭环绳驱柔性机械臂(500)的测试方法，该机械臂连接至如权利要求1所述的测试装置，所述的测试装置还包括设置在测量滑块(210)上的第一测量元件以及设置在所述柔性机械臂(500)的末端臂杆的第二测量元件，所述的测试装置的驱动组件(100)包括间接通过传动机构带动主动绳索(400)做线性运动的电机(190)，

其特征在于，所述的测试方法包括以下步骤：

向驱动组件(100)的电机(190)发送转速控制指令和转角控制指令，使得张紧装置(200)维持对被动绳索(300)的张紧度；

通过与第一测量元件关联的测量设备输出所述的被动绳索(300)的移动距离，通过所述电机(190)的编码器数据和传动比例计算出主动绳索(400)的移动距离，采集绳索移动误差和计算机械臂末端的理论运动轨迹数据；

通过与第二测量元件关联的测量仪器跟踪获得柔性机械臂(500)末端的实际运动轨迹数据；

对比所述的理论运动轨迹数据和实际运动轨迹数据。

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