CN112729787A

CN112729787A - 机械模拟装置和方法

Info

Publication number: CN112729787A
Application number: CN202011527312.XA
Authority: CN
Inventors: 杨跞; 李羊; 周飞; 许楠
Original assignee: Siasun Co Ltd
Current assignee: Siasun Co Ltd
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-04-30

Abstract

本申请提供一种机械模拟装置和方法，该机械模拟装置包括：底板；转接环，设置在所述底板第一面的中心位置，用于安装待测关节；支撑部，设置在所述底板第二面；负载件，通过滑动杆连接所述支撑部，所述负载件通过在所述滑动杆上滑动，以调节与所述支撑部之间的距离；伺服系统，连接所述负载件，所述伺服系统用于驱动所述负载件运动，以模拟所述待测关节的待测工况。本申请实现了模拟机械臂的运动工况，来代替整臂的耐久测试，以达到降低测试成本的目的。

Description

机械模拟装置和方法

技术领域

本申请涉及机械制造技术领域，具体而言，涉及一种机械模拟装置和方法。

背景技术

机器人是一种自动化的机器，具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。

为了提高工业机器人质量和使用寿命，国内厂商对机械臂的耐久和可靠性测试越来越重视。考虑到相关测试需求的样本数量多，投入成本大，且整机测试效率低下，维护困难，并且当前尚无相关解决方案，因此，本申请提出了一种机器人关节耐久测试装置及方法，用于模拟机械臂的运动工况来代替整臂的耐久测试，以达到降低测试成本的目的。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种机械模拟装置和方法，用于模拟机械臂的运动工况，来代替整臂的耐久测试，以达到降低测试成本的目的。

本申请实施例第一方面提供了一种机械模拟装置，包括：底板；转接环，设置在所述底板第一面的中心位置，用于安装待测关节；支撑部，设置在所述底板第二面；负载件，通过滑动杆连接所述支撑部，所述负载件通过在所述滑动杆上滑动，以调节与所述支撑部之间的距离；伺服系统，连接所述负载件，所述伺服系统用于驱动所述负载件运动，以模拟所述待测关节的待测工况。

于一实施例中，所述支撑部包括：第一支撑座，设置在所述底板第二面的一端；第二支撑座，设置在所述底板第二面的另一端，所述第一支撑座和所述第二支撑座关于所述底板的中心对称设置。

于一实施例中，所述负载件包括：第一载物台，滑动地设置在第一连接杆上，所述第一连接杆的一端连接所述第一支撑座，所述第一连接杆的另一端连接所述伺服系统，所述第一载物台上用于放置第一负载块。

于一实施例中，所述负载件包括：第二载物台，滑动地设置在第二连接杆上，所述第二连接杆的一端连接所述第二支撑座，所述第二连接杆的另一端连接所述伺服系统，所述第二载物台上用于放置第二负载块；所述第一连接杆与所述第二连接杆同轴设置。

于一实施例中，还包括：制动器，设置在所述第一连接杆与所述伺服系统之间。

于一实施例中，还包括：联轴器，设置在所述第二连接杆和所述伺服系统之间。

于一实施例中，还包括：传动部件，一端连接所述伺服系统，另一端分别连接所述制动器和所述联轴器。

于一实施例中，所述制动器包括：离合器，一端连接所述传动部件；抱闸，一端连接所述离合器，另一端连接所述第一连接杆。

于一实施例中，所述底板中心位置开设有通孔。

本申请实施例第二方面提供了一种机械模拟方法，包括：获取待测工况的负载分布数据，所述待测工况为机械臂的待测关节的工况；对所述负载分布数据拟合处理，生成所述待测工况的拟合曲线；根据所述拟合曲线，计算所述机械模拟装置的配置参数；根据所述配置参数，采用本申请实施例第一方面及其任一实施例所述的机械模拟装置模拟所述待测工况；输出所述待测关节关于所述待测工况的测试结果数据。

本申请提供的机械模拟装置和方法，通过将机械臂的待测关节安装在机械模拟装置的转接环上，转接环设置在底板的第一面中心位置，通过设置在底板第二面的支撑部对负载件做支撑，使得负载件可以跟随底板一起运动，伺服系统传动连接于负载件，用于产生驱动力，以驱动负载件产生运动，通过调节负载件的大小及在滑动杆上的位置，可以设置不同惯量、负载、弯矩以及运动参数等，实现了模拟待测关节的不同工况，进而实现对待测关节性能的模拟测试，提高测试效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1A为本申请一实施例的机械模拟装置的结构示意图；

图1B为本申请一实施例的机械模拟装置的结构示意图；

图2为本申请一实施例的机械模拟装置在平衡加载模式下的结构示意图；

图3为本申请一实施例的机械模拟装置在非平衡加载模式下的结构示意图；

图4为本申请一实施例的机械模拟方法的流程图；

图5A为本申请一实施例的待测关节的负载分布数据示意图；

图5B为本申请一实施例的待测关节的负载分布数据的拟合曲线示意图；

图6为本申请一实施例的机械模拟方法的流程图。

附图标记：

1-机械模拟装置，2-待测关节，10-底板，11-通孔，20-转接环，30-支撑部，31-第一支撑座，32-第二支撑座，40-负载件，41-第一载物台，411-第一负载块，42-第二载物台，421-第二负载块，50-伺服系统，60-传动部件，70-制动器，71-离合器，72-抱闸，80-联轴器，90-滑动杆，91-第一连接杆，92-第二连接杆。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1A所示，本实施例提供一种机械模拟装置1，包括：底板10、转接环20、支撑部30、负载件40和伺服系统50，其中：

转接环20，设置在底板10第一面的中心位置，用于安装待测关节2。在实际应用中，待测关节2可以是机械臂的某个关节，通过将待测关节2安装在转接环20上，藉由机械模拟装置1模拟某个指定的待测工况，用于开展待测关节2的耐久试验。

支撑部30，设置在底板10第二面。支撑部30固定在底板10的第二面上，底板10的第二面在第一面的背面，支撑部30可以随着底板10的运动而运动。

于一实施例中，支撑部30包括：第一支撑座31和第二支撑座32，第一支撑座31设置在底板10第二面的一端。第二支撑座32设置在底板10第二面的另一端，第一支撑座31和第二支撑座32关于底板10的中心对称设置。

负载件40，通过滑动杆90连接支撑部30，负载件40通过在滑动杆90上滑动，以调节与支撑部30之间的距离。负载件40的质量可以调节，在工况模拟中，通过改变负载件40的质量和运动参数用来模拟待测关节2的不同负载工况。

于一实施例中，负载件40包括：第一载物台41和第二载物台42，其中第一载物台41，滑动地设置在第一连接杆91上，第一连接杆91的一端连接第一支撑座31，第一连接杆91的另一端连接伺服系统50，第一载物台41上用于放置第一负载块411。第二载物台42滑动地设置在第二连接杆92上，第二连接杆92的一端连接第二支撑座32，第二连接杆92的另一端连接伺服系统50，第二载物台42上用于放置第二负载块421。第一连接杆91与第二连接杆92同轴设置。

于一实施例中，为方便运动参数的设计计算，当第一载物台41和第二载物台42上不带负载块且距离旋转中心的位移相同时，机械模拟装置1的质心宜设置为旋转中心。

于一实施例中，第一连接杆91为左旋滚柱丝杆，第二连接杆92为右旋滚柱丝杆。

伺服系统50，如图1B所示(本实施例机械模拟装置1的俯视图)，连接负载件40，伺服系统50用于驱动负载件40运动，以模拟待测关节2的待测工况。伺服系统50是机械模拟装置1的动力系统，通过伺服系统50驱动负载件40运动。伺服系统50可以是带自锁功能的伺服装置，可以包括：编码器、抱闸、电机、减速器等。

于一实施例中，机械模拟装置1还包括：传动部件60、制动器70和联轴器80，其中传动部件60一端连接伺服系统50，另一端分别连接制动器70和联轴器80，用于将伺服系统50的驱动力传动到制动器70和联轴器80。传动部件60可以通过传动轴连接带自锁功能的伺服装置，基于结构紧凑的考虑，传动部件60可以为齿轮传动。伺服系统50通过传动装置控制传动轴，进而驱动第一载物台41和第二载物台42产生相向或者背离运动，达到改变整个机械模拟装置1的惯量的目的。

于一实施例中，制动器70，设置在第一连接杆91与伺服系统50之间，可以用于对第一连接杆91制动。

于一实施例中，制动器70包括：离合器71和抱闸72，其中离合器71的一端连接传动部件60，另一端连接抱闸72，抱闸72的另一端连接第一连接杆91。

于一实施例中，机械模拟装置1还包括：联轴器80，设置在第二连接杆92和伺服系统50之间。

于一实施例中，传动部件60可以通过传动轴分别连接电子离合器71和联轴器80，电子离合器71进一步连接左旋滚柱丝杆，联轴器80进一步连接右旋旋滚柱丝杆。

于一实施例中，底板10中心位置开设有通孔11。比如可以在底板10的几何中心设置通孔11，通孔11可以用于穿过电源和通讯线缆，可以将通孔11中的电源和通讯线缆与待测机械臂的电源和通讯线缆采用相同设置，以便于模拟线缆的耐久工况。

在实际场景中，由于机械臂是一种通用的执行装置，因此适用于各种工况，机械臂上的关节在各轴联动过程中除内部的摩擦转矩外，承受的外部负载转矩包括：加速力矩、重力矩、科氏力(Coriolis force，科里奥利力)矩以及摩擦转矩等，本实施例中机械模拟装置1可以提供相同类型的外部负载转矩，以供模拟待测关节2的不同工况。通过不同的控制策略，该机械模拟装置1至少可实现：平衡型加载方式和非平衡型加载方式。

如图2所示，本实施例提供一种机械模拟装置1的应用场景，以便于详细说明该装置在平衡加载方式的工作原理：

首先平衡型加载方式的控制策略为：根据实际场景需要，在第一载物台41和第二载物台42上安装相同的负载块，即第一负载块411和第二负载块421相同，并且通过组件选型配置整个机械模拟装置1的质心为旋转中心。在实际工作过程中，第一载物台41和第二载物台42同时被伺服系统50驱动，产生向内或者向外的运动，无论在何种姿态一直保持整个机械模拟装置1的平衡，在这种情况下，待测关节2所受的外部负载转矩

(注：加粗字体的字母为矢量，未加粗的字母为标量，下同)可以表示为如下等式：

其中，

为加速力矩，

为待测关节2所受的科氏力矩。

首先，

其中，

为机械模拟装置1的惯量，

为待测关节2的角加速度。

此外，

其中，

为机械模拟装置1除第一载物台41、第二载物台42及其安装的第一负载块411和第二负载块421外的部分对旋转中心重合时的惯量，为定值常量。M为第一载物台41及其第一负载块411的总质量，

为第一载物台41及其第一负载块411的质心距离旋转中心的位移。

最后，

其中，

为待测关节2的角速度，

为第一载物台41沿着第一连接杆91方向的速度，或者v为第二载物台42第二连接杆92方向的速度。

实际使用过程中，待测关节2可受控工作在匀速、恒定加速、变加速等状态，

满足如下关系(情况1)：

(1)、

和

均为常量，比如1.2、1.5……(注：下角标为C的物理量均为常量或者常矢量，下同)，此时

为初始值，则

t为时间变量。此外，

时，

此时，当

时，

为常量。当

时，

(2)、

此时

则

t为时间变量。

(3)、

此时

则

t为时间变量。

(4)、

(即

)，此时

则

t为时间变量。

实际使用过程中，第一载物台41的运动状态主要为加速运动、减速运动以及匀速运动。

满足如下关系：

(1)、

和

均为常量，比如1、2……(注：下角标为C的物理量均为常量或者常矢量，下同)，此时

则

t为时间变量。此外，

或者

时，

此时，

(2)、

此时

则

t为时间变量。

(3)、

此时

则

t为时间变量。

(4)、

(即

)，此时

则

t为时间变量。

(5)、

此时

则

t为时间变量。

(6)、

此时

则

t为时间变量。

如图3所示，本实施例提供一种机械模拟装置1的应用场景，以便于详细说明该装置在非平衡加载方式的工作原理：

首先非平衡型加载方式的控制策略为：根据实际场景需要，在第一载物台41和第二载物台42上的负载块有如下三种设置方式：①安装相同的负载块。②安装不同的负载块。③第一载物台41上不安装负载块，第二载物台42上安装负载块。然后通过伺服系统50控制第一载物台41及其第一负载块411运动至所需位置，然后关闭制动器70中的抱闸72，断开电子离合器71，使得伺服系统50仅可以驱动第二载物台42和第二负载块421。以方式③的加载方式为例，如图3所示，在这种情况下，待测关节2所受的外部负载转矩

可以表示为如下等式：

其中，

为加速力矩.

为待测关节2所受的科氏力矩，

为第二载物台42及其第二负载块421产生的重力矩。

首先，

但是，

其中，

为机械模拟装置1除第二载物台42及其安装的第二负载块421外的部分对旋转中心的惯量，为定值常量。M为第二载物台42和第二负载块421的总质量，

为第一载物台41的质心距离旋转中心的位移。

Trq_α对时间t的表现形式与如图2所示的实施例中相关内容相同。

同理，

其中，

为待测关节2的角速度，

为第二载物台42沿第二连接杆92方向滑动的速度。

对时间t的表现形式与如图2所示的实施例中相关内容相同。

最后：

其中，

是第二载物台42和第二负载块421的重力，

是第一载物台41的重力，

为第一载物台41的质心距离旋转中心的位移，为常矢量。

取标量运算有：

Trq_G＝G₂·S·sinθ-G₁L_C1·sinθ

其中，θ为关节运转角度，以底板10处于竖直位置且第二载物台42和第二负载块421在下、第一载物台41在上的姿态为零位。

实际使用过程中，Trq_G满足如下关系：

(1)、ω＝ω_C，v＝v_C，均为常量，此时S＝S(t)，θ＝θ(t)，则Trq_G＝Trq_G(tsinθ(t))，t为时间变量。此外，v_C＝0时，S＝S_C，此时，Trq_G＝Trq_G(sinθ(t))。

(2)、ω＝ω(t)，v＝v_C，此时S＝S(t)，θ＝θ(t²)，则Trq_G＝Trq_G(tsinθ(t²))，t为时间变量。

(3)、ω＝ω_C，v＝v(t)，此时S＝S(t²)，θ＝θ(t)，则Trq_G＝Trq_G(t²sinθ(t))，t为时间变量。

(4)、ω＝ω(t)，v＝v(t)(即ω＝αt+ω_C，v＝at+v_C)，此时S＝S(t²)，θ＝θ(t²)，则Trq_G＝Trq_G(t²sinθ(t²))，t为时间变量。

(5)、ω＝ω(t²)，v＝v_C，此时S＝S(t)，θ＝θ(t³)，则Trq_G＝Trq_G(tsinθ(t³))，t为时间变量。

(6)、ω＝ω(t²)，v＝v(t)，此时S＝S(t²)，θ＝θ(t³)，则Trq_G＝Trq_G(t²sinθ(t³))，t为时间变量。

于一实施例中，还有v＝v(t²)的情况，可根据实际需要采用，不做详细讨论。

实际应用时，需要根据待测关节2在机械臂上运行待测工况时所受的外部负载转矩曲线，从平衡加载方式和非平衡加载方式中选择合适的方式，并同时设计选择相应方式下的详细运动参数，以确定拟合更准确的加载方式及其详细运动参数。

如图4所示，本实施例提供一种机械模拟方法，该方法包括：

步骤401：获取待测工况的负载分布数据，待测工况为机械臂的待测关节2的工况。

在本步骤中，实际模拟测试过程中，机械模拟装置1无法无差异复现整臂工况，一般都需要做近似处理，因此首先获取待测工况的负载分布数据，待测工况为机械臂的待测关节2的工况。如图5A所示，为六轴机器人第二关节的一个待测工况的负载分布数据，横轴表示时间，单位秒s，纵轴表示转矩，单位NM。

步骤402：对负载分布数据拟合处理，生成待测工况的拟合曲线。

在本步骤中，可以对负载分布数据采用最小二乘近似拟合处理，得到待测工况的拟合曲线。如图5B所示，为将图5A中负载分布数据经过最小二乘近似处理而得到的六轴机器人第二关节负载转矩曲线，横轴表示时间，单位秒s，纵轴表示转矩，单位NM。该曲线既可以采用平衡型加载方式实现，也可以采用不平衡型加载方式实现。

步骤403：根据拟合曲线，计算机械模拟装置1的配置参数。根据配置参数，采用如图1所示的机械模拟装置1模拟待测工况。

在本步骤中，以平衡加载方式为例，举例说明如下(以下公式中字母都是标量，带有正负号)：

首先，选配相同的第一负载块411和第二负载块421，假设第一载物台41和第一负载块411(以下简称带载滑块)总质量为M(第二载物台42和第二负载块421也一样)，带载滑块滑动的位置范围为l₁，带载滑块距离旋转中心最近时的距离为L₀。除两部分的带载滑块，机械模拟装置1其余部分对旋转中心的惯量为

伺服系统50驱动所选滚柱丝杆能够达到的最大速度为V。以上指标假定为初始值，后续可以根据负载转矩曲线需求进行修正。

方向定义：旋转运动以逆时针运动为正方向，平移运动以背离旋转中心运动为正方向。

如图5B所示，对于时间t0～t1段的工况，符合情况1中的Trq_α，设v_C＝0，此时带载滑块距离旋转中心的位置为S₁，机械模拟装置1的角加速度为α₁，假定机械模拟装置1初始状态为静态，负载转矩为负值，设定α₁为负方向，顺时针加速，这个过程中机械模拟装置1以α₁加速运转，则满足以下关系式：

T2＝-(J_C+2M·S₁ ²)·α₁

L₀＜S₁＜L₀+l₁

α₁＜α_max

其中，T2为时间t0～t1段的外部负载转矩。α_max为待测关节2的最大角加速度。

在t1时刻，机械模拟装置1的角速度为ω₁，需满足以下关系：

ω₁＜ω_max

角加速度和角速度任何时刻均分别满足小于待测关节2的最大角加速度α_max和最大角速度ω_max的要求，后续省略。

对于t1～t2段的工况，符合前述情况1中的Trq_α，此时带载滑块距离旋转中心的位置为S₂，带载滑块面向旋转中心方向运动，则满足以下关系式：

(T4-T2)/(t2-t1)＝-2M·(2ω₂·v₂)·v₂

L₀＜S₂≤S₁

v₂＜V

其中，T4为时刻t2的外部负载转矩，ω₂为时间t1～t2段的机械模拟装置1的角速度，v₂为t1～t2段带载滑块的运动速度。

在t2时刻，带载滑块运动的距离为v₂(t2-t1)，需满足以下关系：

v₂(t2-t1)＜S₂-L₀

任何时刻的带载滑块速度均满足小于V的要求，后续省略。

对于t2～t3段的工况，此时带载滑块距离旋转中心的位置为S₃，带载滑块背离旋转中心方向运动，则满足以下关系式：

(T1-T4)/(t3-t2)＝2M·(2ω₃·v₃)·v₃

L₀＜S₃＜S₂

其中，T1为时间t3时刻的外部负载转矩，ω₃为时间t2～t3段的机械模拟装置1的角速度，v₃为t2～t3段带载滑块的运动速度。

在t3时刻，带载滑块运动的距离为v₃(t3-t2)，需满足以下关系：

v₃(t3-t2)＜l₁+L₀-S₃

对于t3～t4段的工况，要求v_C＝0，此时带载滑块距离旋转中心的位置为S₄，测试装置的角加速度为α₄，方向是顺时针，则满足以下关系式：

T1＝-(J_C+2M·S₄ ²)·α₄

S₃＜S₄＜L₀+l₁

在t4时刻，带载滑块运动的距离为ω₄。

对于t4～t5段的工况，该段为开口向上的抛物线，此时带载滑块距离旋转中心的位置为S₅，带载滑块背离旋转中心方向运动，速度为v₅，测试装置的角速度为ω₅，角加速度为α₅，为顺时针，则待测关节2所受的科氏力矩Trq_C满足以下关系式：

Trq_C＝-2M·(2ω₅·v₅)·S₅＜0

ω₅＝ω_C-α₅t

S₄＜S₅＜L₀+l₁

α₅v₅＞0，确保抛物线的开口朝上。

其中，ω₅为时间t4～t5段的机械模拟装置1的角速度，v₅为t4～t5段带载滑块的运动速度。

步骤404：根据上述配置参数，开展长时间的耐久试验，可输出待测关节2关于待测工况的测试结果数据。

以上过程，只是针对拟合过程的关键阶段作了叙述，各关键阶段间的过渡没有介绍。实际执行过程中，需要根据待测关节2的工况特性，如图6所示，先完成近似拟合，然后根据拟合曲线的具体参数，完成所需指标的计算和校核，然后确定机械模拟装置1各组成部分的合适质量和惯量，以及伺服系统50和滚柱丝杆参数。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims

1.一种机械模拟装置，其特征在于，包括：

底板；

转接环，设置在所述底板第一面的中心位置，用于安装待测关节；

支撑部，设置在所述底板第二面；

负载件，通过滑动杆连接所述支撑部，所述负载件通过在所述滑动杆上滑动，以调节与所述支撑部之间的距离；

伺服系统，连接所述负载件，所述伺服系统用于驱动所述负载件运动，以模拟所述待测关节的待测工况。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑部包括：

第一支撑座，设置在所述底板第二面的一端；

第二支撑座，设置在所述底板第二面的另一端，所述第一支撑座和所述第二支撑座关于所述底板的中心对称设置。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述负载件包括：

第一载物台，滑动地设置在第一连接杆上，所述第一连接杆的一端连接所述第一支撑座，所述第一连接杆的另一端连接所述伺服系统，所述第一载物台上用于放置第一负载块。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述负载件包括：

第二载物台，滑动地设置在第二连接杆上，所述第二连接杆的一端连接所述第二支撑座，所述第二连接杆的另一端连接所述伺服系统，所述第二载物台上用于放置第二负载块；

所述第一连接杆与所述第二连接杆同轴设置。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：

制动器，设置在所述第一连接杆与所述伺服系统之间。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

联轴器，设置在所述第二连接杆和所述伺服系统之间。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

传动部件，一端连接所述伺服系统，另一端分别连接所述制动器和所述联轴器。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述制动器包括：

离合器，一端连接所述传动部件；

抱闸，一端连接所述离合器，另一端连接所述第一连接杆。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底板中心位置开设有通孔。

10.一种机械模拟方法，其特征在于，包括：

获取待测工况的负载分布数据，所述待测工况为机械臂的待测关节的工况；

对所述负载分布数据拟合处理，生成所述待测工况的拟合曲线；

根据所述拟合曲线，采用如上述权利要求1至9中任一项所述的机械模拟装置模拟所述待测工况；

输出所述待测关节关于所述待测工况的测试结果数据。