CN112033592B - 一种机器人关节力矩标定试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人关节力矩标定试验装置，包括设于机器人关节两端的力矩校准传感器和被动加载装置，还包括用于固定上述装置和机器人关节的固定装置；所述被动加载装置包括卸荷轴、联轴器、杠杆减速器以及制动器，所述制动器的输出轴连接杠杆减速器输入孔，杠杆减速器的输出轴连接联轴器输入孔，所述卸荷轴一端连接机器人关节，一端伸入联轴器。本发明的力矩传感器与关节的输入力矩是直接对等的，即1：1直接测量的，负载阻尼的波动并不影响装置的测量精度，因此有更高的测量精度；本发明有效地利用了减速器的增力原理，用小阻尼实现大扭矩的测量，有利于减小设备的体积和重量。

Description

一种机器人关节力矩标定试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种机器人关节力矩标定试验装置。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，协作型机器人和人机交互技术成为机器人领域的研究热点，机器人关节输出力矩的精确测量是协作机器人的技术关键。目前，绝大部分的协作型机器人依靠测量机器人关节电机电流的方法进行力矩测量，测量精度和灵敏度均很低。也有很多对机器人力觉要求较高的场合采用力矩传感器的方法实现精密力矩的测量，但该方案要求每个机器人关节都必须加装一个力矩传感器，这不仅增加了协作型机器人的复杂度，模块化关节力矩传感器的柔性额外变形也降低了机器人的运动精确度。

目前机器人关节多采用了谐波减速器，很多人都从理论和实践上研究在谐波柔轮上内嵌力矩传感器，针对目前模块化关节力矩传感器存在的弊端进行改进，将力矩测量的应变片集成至谐波减速器中，使传统的谐波减速器具有直接的力矩测量能力，这种方法灵敏、准确、动态特性好，优点很多，是未来的发展方向。但针对机器人关节谐波减速器内嵌力矩传感器的标定测试台，还没有很好的方法。传统的力矩传感器标定平台采用手动力矩加载方式，存在加载效率低，输入力矩不稳定的缺点。因此，亟需一种具有稳定加载，高度集成，可靠性高的机器人关节谐波减速器内嵌力矩传感器的标定测试台。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种测试精准、适用范围广的机器人关节力矩标定试验装置。

技术方案：本发明的机器人关节力矩标定试验装置，包括设于机器人关节两端的力矩校准传感器和被动加载装置，还包括用于固定被动加载装置、力矩校准传感器和机器人关节的固定装置；所述被动加载装置包括卸荷轴、联轴器、杠杆减速器以及制动器，所述制动器的制动器输出轴连接杠杆减速器输入孔，杠杆减速器的减速器输出轴连接联轴器输入孔，所述卸荷轴一端连接机器人关节，一端伸入联轴器；所述力矩校准传感器、卸荷轴、联轴器、制动器输出轴以及减速器输出轴的中轴线与机器人关节的中轴线在同一直线上。

所述固定装置包括底座和垂直于底座的支架，支架设有多个，分别固定被动加载装置和力矩校准传感器。

所述机器人关节与力矩校准传感器之间设有传感器法兰。

所述卸荷轴和支架之间还设有轴承。

所述卸荷轴与机器人关节之间设有输出法兰。

所述固定装置包括固定机器人关节非待测端的固定座。

所述力矩校准传感器与支架之间设有铜套，铜套与传感器法兰固定连接。

所述传感器法兰与机器人关节之间设有安装法兰，所述安装法兰为可拆卸结构。

所述底座与支架为可拆卸式连接。

所述制动器采用电控被动阻尼器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

本发明的力矩传感器与关节的输入力矩是直接对等的，即1：1直接测量的，负载阻尼的波动并不影响装置的测量精度，因此有更高的测量精度；本发明有效地利用了减速器的增力原理，用小阻尼实现大扭矩的测量，有利于减小设备的体积和重量；由于制动器采用电可控阻尼器，本发明可以实现动态加载，从而实现机器人关节动态性能的测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为机器人关机结构示意图；

图3为本发明安装机器人关节后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明包括固定装置、被动加载装置以及测量标定装置。

固定装置包括测试台底座1及分别垂直固定安装在测试台底座上的四个支架，固定装置用于提供平台上各种装置的安装基准，并最终承受各种力矩。支架2固定力矩校准传感器3的一端，支架4固定连接力矩校准传感器3的另一端。支架4与力矩校准传感器3之间还设有铜套16，标准力矩校验传感器3与铜套16的内孔小间隙配合，铜套16与支架4中心孔中并精密配合形成固定连接。铜套16还与传感器法兰5固定连接，传感器法兰5与机器人关节的安装法兰61固定连接。支架8固定卸荷轴7的露出部分，支架8中心孔壁与卸荷轴7之间设有轴承15。支架10固定杠杆减速器11的一端，并使杠杆减速器11的定位指口与固定支架10的安装孔配合，达到中心一致的目的。

被动加载机构包括制动器13、减速器法兰12、杠杆减速器11、联轴器9和卸荷轴7。制动器13通过减速器法兰12与杠杆减速器11形成固定连接，其制动器输出轴14伸入到杠杆减速器13的输入轴孔内并紧密配合并保持中心一致，制动器输出轴14由杠杆减速器11输入轴孔的夹紧机构夹紧，形成固定连接。杠杆减速器11的输出轴111与联轴器9的内孔配合并形成固定连接，卸荷轴7的右端也与联轴器9的内孔配合并形成固定连接，这样就使减速器输出轴111上的大力矩1:1地传递到了卸荷轴7上。

卸荷轴7、联轴器9、力矩校准传感器3以及杠杆减速器11和制动器13的输出轴的中轴线与待测关节6的中轴线在同一直线上。

在动力学关系上，制动器13的制动器输出轴14与杠杆减速器11的输出轴111之间就形成一个倍数关系，倍数的大小等于减速器13的传动比，制动器13 的制动力矩也按相同倍数放大，并从减速器输出轴14上传递到卸荷轴7上。制动器13是一种被动阻尼，其上的阻尼力矩实际上是由两方面的因素决定。一是制动器输出轴14并不能主动产生运动也就不能主动产生驱动力，因此其上的阻尼力矩由卸荷轴7上驱动力矩决定，大小等于卸荷轴7上驱动力矩除以杠杆减速器11的传动比，因此，如果将被测机器人关节的输出力矩加载到荷轴7上，制动器13的制动作用才能体现，这实质上是作用力与反作用力的原理。二是制动器13自身的机电转换特性决定了制动器输出轴14能承受的最大阻尼力，当卸荷轴7上驱动力矩较小时，由于制动器13的制动作用及杠杆减速器11的阻尼放大作用，卸荷轴7、杠杆减速器11及其减速器输出轴14、制动器13的制动器输出轴14是保持静止的，当卸荷轴7上驱动力矩较大时，会通过上述传动链带动制动器输出轴14转动，此时，制动器输出轴14上力矩由制动器13的通电电流决定，也就决定了整个传动链上承受的负载力矩。因此，可以实时改变通电电流从而改变传动链上其它构件的负载力矩。

卸荷轴7的特点是：通过轴承15安装在固定支架8上，轴承15起到支撑和固定中心的作用，防止被测机器人关节的重量引起偏载；由于轴承15转动灵活，与卸荷轴7一起起到隔离作用，防止本发明中被动加载机构由于重力产生额外的圆周阻尼，有利于精密测量。卸荷轴7的左端结构是一个输出法兰，用于与被测机器人关节6连接。由此可见，只要更换卸荷轴，就能使本发明的装置与不同型号的机器人关节连接，产生低成本的通用化效果，这是本发明的又一优点。

因此，被动加载机构的特点是：（1）采用制动器作为原始载荷，制动器采用被动阻尼器，这类制动器的可选类型有多种，如磁流变阻尼器、磁粉制动器（也叫磁粉离合器）、电流变阻尼器、电磁摩擦离合器、磁阻尼器等，它们只产生与主动载荷相应的阻尼制动力，不会产生主动的运动。本发明采用这种类型的制动器带来的优点是安全可靠，不会由于主动的运动而导致意外的伤害，也不会由于主动运动的误差产生额外的动态载荷，非常有利于精密测量；第二个优点是制动力的大小是由作用力与反作用力相等的原理产生，因而理论上与主动载荷相等，不会有原理误差；第三个优点是载荷大小电可控，因此，不仅能很好地胜任静态测量，也能很好在完成动态测量。（2）制动器13通过减速器法兰12固定安装在杠杆减速器11上，制动器输出轴14与杠杆减速器11的输入轴孔配合形成固定连接，这样制动器的制动力矩可以通过杠杆减速器11放大，放大倍数等于杠杆减速器11的传动比，这就实现了用小力矩制动器产生大制动载荷，其好处是：在平台实现大量程测量时，设备体积小，造价低。

以下结合图2、图3说明本发明装置的原理。

一般情况下，机器人的关节的外部结构6如图2所示，主要由输出法兰62、外壳64、底座法兰63组成，其中，底座法兰63与外壳64是一体的，外壳64内部安装有驱动电机、减速器和运动控制装置，内部控制装置的控制电缆可从底座法兰63端面的过线孔65引出。输出法兰62在电机和控制装置的驱动下相对于外壳64形成可控制的圆周运动，是机器人关节运动和动力的输出轴。

机器人关节6在本测试装置上的安装方法如图3所示，机器人关节的外壳64通过底座法兰63与安装法兰61固定连接。输出法兰62与卸荷轴7固定连接。外壳64、安装法兰61、输出法兰62、卸荷轴7的转动中心是一致的。

本发明展示的传感器法兰5与机器人输出法兰62通过角座形安装法兰61形成一个同轴式连接，也可以设计其它形式的法兰与机器人关节连接，因此，安装法兰61是本发明中的一个可换件，更换安装法兰61的结构形械就可以适应不同生产商或不同结构型号的机器人关节。其最本质的特征有三点：一是安装法兰61与机器人外壳固定连接，二是与传感器法兰5形成固定连接，三是机器人关节输出法兰62转动中心与力矩校准传感器3的中心一致。这样安装优点是：使传感器中心与被动加载机构的中心精确一致，并使被测机器人关节的输出力矩能准确地传递到标准力矩校准传感器3上。

本发明的工作原理包括：

（1）运动传递关系：机器人关节6在内部电器的驱动下使输出法兰62旋转，带动卸荷轴7、连轴器9、减速器输出轴14同步旋转。由于杠杆减速器11是反向传动的，这样就在杠杆减速器11的输入端、制动器输出轴14上得到增速的旋转运动，增速的倍数与杠杆减速器的传动比相同。

（2）力传递关系：制动器13通电后能产生与电流值相关的被动阻尼，这个阻尼的方向是与制动器输出轴14的运动方向是相反的，是前述旋转运动的负载。负载传递的方向与运动的传递方向是相反的，即：制动器13→制动器输出轴14→杠杆减速器11→输出轴111→连轴器9→卸荷轴7→输出法兰62→机器人关节6→外壳64→安装法兰61→传感器法兰5→标准力矩校准传感器3→固定支架2。注意到这个力矩传递过程中由于杠杆减速器11的作用，制动器13的制动力矩传递到传感器3是经过放大的力矩，放大倍数与杠杆减速器的传动比相同。这种动力学关系的优点是：用小规格制动器产生大负载，有利于操作者的安全，也有利于减少装置的体积、重量，从而降低造价和使用成本。

（3）1：1测量关系：在连轴器、卸荷轴7、输出法兰62、机器人关节6、外壳64、安装法兰61、传感器法兰5、标准力矩校准传感器3上承受的旋转力矩是相同的。因此，从标准力矩校准传感器3上能直接观测到机器人关节6的输出力矩，没有任何中间环节，有利于提高测量精度。

（4）传用力与反作用力关系：由上述运动和力传递关系可知，旋转运动是由机器人关节6的电器产生的，但整个传动链中的力矩由机器人关节6、杠杆减速器11和制动器13共同决定，这是作用力与反作用力的原理。因此，机器人关节6的输出力矩是由负载决定的，也就是说，控制制动器13的阻尼力矩就能控制机器人的输出力矩。这一特点的优点很多，一是可以控制制动器13的通过电流，不仅能产生恒定负载，也能产生动载荷，非常有利于测量机器人的动态响应性能。

（5）动静关系：从原理上讲，连轴器9、卸荷轴7上的力矩与机器人关节6的输出力矩相等，通过对这些器件的改造也能实现力检测功能，但这些构件均是旋转运动的，为实现检测必须解决检测电器的连通问题，这是现有动态力矩检测仪器非常昂贵、检测范围有限的原因所在。本发明中，外壳64、安装法兰61、传感器法兰5、标准力矩校准传感器3都与固定支架2相对静止，因此，机器人关节内部的控制电缆可以从安装法兰63的端面引出，不会发生缠绕，机器人关节6内部的测力电气系统可以直接与本发明装置连接；标准力矩校准传感器3的引线也由于静止而不会有任何连线上的困扰。因此，本发明装置的通用性非常强。

Claims (10)

1.一种机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，包括设于机器人关节两端的力矩校准传感器（3）和被动加载装置，还包括用于固定被动加载装置、力矩校准传感器和机器人关节的固定装置；

所述被动加载装置包括卸荷轴（7）、联轴器（9）、杠杆减速器（11）以及制动器（13），所述制动器（13）的制动器输出轴（14）连接杠杆减速器（11）输入孔，杠杆减速器（11）的减速器输出轴（111）连接联轴器（9）输入孔，所述卸荷轴（7）一端连接机器人关节（6），一端伸入联轴器（9）；所述力矩校准传感器（3）、卸荷轴（7）、联轴器（9）、制动器输出轴（14）以及减速器输出轴（111）的中轴线与机器人关节（6）的中轴线在同一直线上。

2.根据权利要求1所述的机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，所述固定装置包括底座（1）和垂直于底座的支架，支架设有多个，分别固定被动加载装置和力矩校准传感器（3）。

3.根据权利要求1所述的机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，所述机器人关节（6）与力矩校准传感器（3）之间设有传感器法兰（5）。

4.根据权利要求2所述的机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，所述支架设于卸荷轴（7）外壁，卸荷轴（7）和支架之间还设有轴承（15）。

5.根据权利要求1所述的机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，所述卸荷轴（7）与机器人关节（6）之间设有输出法兰（62）。

6.根据权利要求1所述的机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，所述固定装置包括用于固定机器人关节非待测端的固定座。

7.根据权利要求3所述的机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，所述力矩校准传感器（3）与支架之间设有铜套（16），铜套（16）与传感器法兰（5）固定连接。

8.根据权利要求3所述的机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，所述传感器法兰（5）与机器人关节（6）之间设有安装法兰（61），所述安装法兰（61）为可拆卸结构。

9.根据权利要求2所述的机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，所述底座（1）与支架为可拆卸式连接。

10.根据权利要求1所述的机器人关节力矩标定试验装置，其特征在于，所述制动器（13）采用电控被动阻尼器。

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