CN112816118B - 一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置及方法 - Google Patents
一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112816118B CN112816118B CN202110211521.1A CN202110211521A CN112816118B CN 112816118 B CN112816118 B CN 112816118B CN 202110211521 A CN202110211521 A CN 202110211521A CN 112816118 B CN112816118 B CN 112816118B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- axis
- horizontal
- vertical
- friction
- torque sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 42
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 31
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 18
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 8
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置及方法，包括器件安装底座、器件安装框架、半环状连杆安装架、半环状连杆、水平驱动传感组件安装架、水平驱动传感组件、垂直驱动传感组件安装架、垂直驱动传感组件和输出轴联动组件；采用半环状连杆和半环状连杆安装架，将球形电机抽象的水平轴运动实体化，并通过传动机构将其转换为可测量的轴向运动，使该方向的摩擦表征参数的辨识成为可能；采用水平驱动传感组件和垂直驱动传感组件，采用步进电机配合行星减速机拖动三自由度球形电机运动的方式，有效避免了自由度球形电机自主控制运动时的不稳定因素，使球形电机可以运行在稳定速度下，实验测量结果可靠性高，摩擦表征参数的辨识准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及三自由度球形电机测量的技术领域，具体涉及一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置及方法。
背景技术
随着工业制造业的快速发展以及人力成本的急剧上升，传统劳动力密集型制造业的转型和升级迫在眉睫。在转型的大潮中，能够实现空间多自由度运动的机器人、机械臂等智能化装备扮演了重要角色。在工业和智能机器人的执行器设计中，实现多自由度运动的方案通常依赖多台单自由度电机和复杂的传动机构，导致执行器结构冗余、可靠性低等缺点。因此，国内外的研究学者提出了一种可实现三自由度运动的球形电机，它具有结构简单、驱动效率高、三自由度运动高度集成等优点。
三自由度球形电机是一种旨在实现空间内高精度三维运动的新型电机。球形电机在运行中不仅会受到内部模型误差的负面影响，还会受到包括摩擦、负载等外部因素造成的外部干扰在所以，高精度且动态性能良好的球形电机运动控制系统是对球形电机的实际应用是至关重要的。摩擦因素作为影响控制系统动态性能的主要原因之一，是设计控制系统时不可忽略的部分。摩擦因素可以在数学上通过摩擦模型来表示，它是控制系统进行摩擦补偿的重要依据。摩擦模型中含有摩擦表征参数，摩擦表征参数决定了摩擦模型的表达准确性。对于传统的单轴电机，摩擦表征参数可以通过在摩擦辨识实验装置上获得的实测数据，并配合相关拟合算法得到。由于三自由度球形电机三维运动的特殊性，针对单轴电机设计的摩擦辨识实验装置难以在应于球形电机，为摩擦表征参数的辨识带来了难度。
与本发明相关的现有技术：1.不采用摩擦模型，只考虑最大静摩擦力。采用数字拉力计手动测量的方法得到最大静摩擦力矩，在控制系统中进行补偿；2.采用摩擦模型表示摩擦因素，利用仿真方法估计摩擦参数。
现有技术的缺点：1.最大静摩擦力矩仅仅只是摩擦模型中的一个摩擦表征参数，无法完整地表示摩擦因素，在控制系统中只补偿最大静摩擦力势必会影响控制精度。另外，采用数字拉力计手动测量最大静摩擦力矩的方法可靠性差，测量精度低。2.没有适用于球形电机的摩擦辨识实验装置，导致无法得到实测数据，仅能靠工程经验和仿真手段估计摩擦表征参数，这严重影响了摩擦模型的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：1.设计了一种适用于三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置，该装置支持三自由度球形电机的三位空间运动；2.该三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置可以使三自由度球形电机运行在稳定工况下，有助于辨识实验的进行；3.该摩擦参数辨识实验装置不仅可以辨识最大静摩擦力，还适用于复杂摩擦模型的。
本发明采用的技术方案为：一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置，该摩擦参数辨识实验装置包括器件安装底座、器件安装框架、半环状连杆安装架、半环状连杆、水平驱动传感组件安装架、水平驱动传感组件、垂直驱动传感组件安装架、垂直驱动传感组件和输出轴联动组件；其中：
所述器件安装底座呈“十”字型，“十”字的交点处用于放置三自由度球形电机；“十”字的短边用于安装器件安装框架，短边长度大于三自由度球形电机的最大宽度；“十”字的长边用于半环状连杆安装架和水平驱动传感组件安装架；
所述器件安装框架包括2根垂直支撑柱和1根水平横梁；
所述半环状连杆安装架包括右连杆安装板和左连杆安装板，两个连杆安装板的距离大于半环状连杆的最大宽度；所述右连杆安装板由铝合金支板、滚珠轴承、支板中轴、外轴承挡圈和内轴承挡圈组成；所述铝合金支板上有一个开孔，用于安装滚珠轴承；所述滚珠轴承采用过盈配合的方式安装在铝合金支板的开孔中；所述支板中轴采用过盈配合的方式安装在滚珠轴承的中轴线位置，支板中轴靠近球形电机的一侧有螺纹安装孔；所述外轴承挡圈和内轴承挡圈分别安装在滚珠轴承的两侧，防止滚珠轴承在水平方向滑动；所述左连杆安装板结构与右连杆安装板相同，相对右连杆安装板对称安装；
所述半环状连杆包括电机联动杆、左配重块和右配重块；所述电机联动杆侧面分布有长条形开孔，螺栓穿过长条形开孔将电机联动杆与半环状连杆安装架装配固定；所述电机联动杆顶部中央有一个圆形开孔；所述配重块通过螺钉固定在电机联动杆上，并配合螺母和垫圈锁紧；
所述水平驱动传感组件安装架包括水平驱动传感组件架高座、水平转矩传感器固定架和水平驱动机构固定架；所述水平驱动传感组件架高座通过螺栓固定在器件安装底座上，该架高座上有2条水平的长条形孔，用于安装水平转矩传感器固定架和水平驱动机构固定架；所述水平转矩传感器固定架垂直面有4个开孔，用于安装水平转矩传感器；所述水平转矩传感器固定架水平面有4个开孔，通过螺钉固定在水平驱动传感组件架高座上，并配合螺母和垫圈锁紧；所述水平驱动机构固定架呈“U”型，固定架底面有两个水平长条形孔，水平驱动机构固定架可采用螺钉通过长条形孔固定在水平驱动传感组件架高座上，并配合螺母和垫圈锁紧；所述水平驱动机构固定架两边侧面高度不同，较高的面上中间有一个圆形开口，使水行星减速机的输出轴可以通过，四角有4个开孔，用于安装水平行星减速机，较低的面上有2个开孔，用于安装水平步进电机；
所述水平驱动传感组件包括平转矩传感器、水平行星减速机、水平步进电机、第一水平联轴器和第二水平联轴器；所述水平转矩传感器通过螺钉水平安装在水平转矩传感器固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该转矩传感器输入轴与右连杆安装板的支板中轴通过第一水平联轴器连接；所述水平行星减速机通过螺钉水平安装在水平驱动机构固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该行星减速机的输出轴与水平转矩传感器的输出轴通过第二水平联轴器连接；所述水平步进电机安装通过螺钉水平安装在水平驱动机构固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该步进电机的输出轴与水平行星减速机的凹槽配合连接；所述水平转矩传感器、水平行星减速机和水平步进电机同轴安装；
所述垂直驱动传感组件安装架包括“L”型内支撑杆、垂直转矩传感器固定架和垂直驱动机构固定架；所述“L”型内支撑杆用于安装垂直转矩传感器固定架和垂直驱动机构固定架；所述垂直转矩传感器固定架与水平转矩传感器固定架结构相同，通过螺钉垂直安装在“L”型内支撑杆上，并通过T型螺母锁紧；所述垂直驱动机构固定架与水平驱动机构固定架结构相同，通过螺钉垂直安装在“L”型内支撑杆上，并通过T型螺母锁紧；
所述垂直驱动传感组件包括垂直转矩传感器、垂直行星减速机、垂直步进电机、第一垂直联轴器和第二垂直联轴器；所述垂直转矩传感器通过螺钉垂直安装在垂直转矩传感器固定架上，并通过螺母锁紧，该转矩传感器输入轴与第一垂直联轴器连接；所述垂直行星减速机通过螺钉水平安装在垂直驱动机构固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该行星减速机的输出轴与垂直转矩传感器的输出轴通过第二垂直联轴器连接；所述垂直步进电机安装通过螺钉垂直安装在垂直驱动机构固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该步进电机的输出轴与垂直行星减速机的凹槽配合连接；所述垂直转矩传感器、垂直行星减速机和垂直步进电机同轴安装；
所述输出轴联动组件包括输出轴联轴器、短辅助轴和长辅助轴；所述输出轴联轴器安装在三自由度球形电机的输出轴上；所述短辅助轴的一端通过电机联动杆顶部圆形开孔连接到输出轴联轴器的另一端，短辅助轴的另一端悬空，使电机联动杆可以带动三自由度球形电机绕水平轴运动，并且会受到垂直驱动传感组件的干扰；所述短辅助轴仅在三自由度球形电机绕水平轴运动时使用；所述长辅助轴的一端通过电机联动杆顶部圆形开孔连接到输出轴联轴器的另一端，长辅助轴的另一端与垂直转矩传感器输入轴上的第一垂直联轴器相连，使垂直驱动传感组件可以带动三自由度球形电机绕垂直轴运动；所述长辅助轴仅在三自由度球形电机绕垂直轴运动时使用。
一种利用所述的摩擦参数辨识实验装置辨识三自由度球形电机Stribeck摩擦模型摩擦表征参数的方法，包括如下步骤：
步骤1：将三自由度球形电机的摩擦转矩分解到X轴、Y轴和Z轴上，并采用Stribeck摩擦模型对各轴上的正向摩擦转矩Tfx+、Tfy+、Tfz+和负向摩擦转矩Tfx-、Tfy-、Tfx-进行建模，其数学表达式如下：
其中，为X轴、Y轴和Z轴上转速；为X轴、Y轴和Z轴上的负向库伦摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上的正向库伦摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上的负向最大静摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上的正向最大静摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上的负向Stribeck切换速度，为X轴、Y轴和Z轴上的正向Stribeck切换速度；为X轴、Y轴和Z轴上的负向粘滞摩擦系数，为X轴、Y轴和Z轴上的正向粘滞摩擦系数；δ为经验参数，一般取0.5到2；
步骤2：进行恒速跟踪预实验，具体步骤：a、使用所述的输出轴联动组件中的长辅助轴；b、在0-250rpm转速区间规定预转速序列其中代表序列中第i个转速值；按照预转速序列中的转速设置垂直步进电机的转速，分别进行正向恒速跟踪预实验和负向恒速跟踪预实验，并记录每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩；c、根据实验结果确定Stribeck现象产生的转速区间；
步骤3：在Z轴方向进行恒速跟踪实验，具体步骤：a、使用所述的输出轴联动组件中的长辅助轴；b、在Stribeck现象产生的转速区间内规定转速序列按照预转速序列中的转速设置垂直步进电机的转速分别进行正向恒速跟踪实验和负向恒速跟踪实验；c、记录转速序列S2z中每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩，记为Z轴摩擦转矩实测序列
步骤4：在X轴方向进行恒速跟踪实验，具体步骤：a、使用所述的输出轴联动组件中的短辅助轴；b、在Stribeck现象产生的转速区间内规定转速序列按照预转速序列中的转速设置水平步进电机的转速分别进行正向恒速跟踪实验和负向恒速跟踪实验；c、记录转速序列S2x中每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩，记为X轴摩转矩实测识序列
步骤5：在Y轴方向进行恒速跟踪实验，具体步骤：a、将三自由度球形电机逆时针旋转90度；b、在Stribeck现象产生的转速区间内规定转速序列c、记录转速序列S2y中每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩，记为Y轴摩擦转矩实测序列
步骤6：设置X轴、Y轴、Z轴的摩擦表征参数向量分别为Px、Py、Pz，其数学表达式如下：
其中，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向库伦摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向库伦摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向最大静摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向最大静摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向Stribeck切换速度，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向Stribeck切换速度；为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向粘滞摩擦系数，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向粘滞摩擦系数；
步骤7：采用X轴摩擦转矩实测序列Ix、Y轴摩擦转矩实测序列Iy和Z轴摩擦转矩实测序列Iz作为辨识标准数据，根据粒子群进化算法，设置辨识误差、个体适应度函数、种群规模、搜索空间维度和最大辨识次数，最后辨识出摩擦表征参数向量Px、Py、Pz中各参数的具体数值，完成对三自由度球形电机Stribeck摩擦模型摩擦表征参数的辨识。
本发明所述的一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置及方法，具有以下优点：
1.本发明中三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置采用半环状连杆和半环状连杆安装架，将球形电机抽象的水平轴运动实体化，并通过传动机构将其转换为可测量的轴向运动，使该方向的摩擦表征参数的辨识成为可能；
2.本发明中三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置采用水平驱动传感组件和垂直驱动传感组件，采用步进电机配合行星减速机拖动三自由度球形电机运动的方式，有效避免了自由度球形电机自主控制运动时的不稳定因素，如震动、超调等，使球形电机可以运行在稳定速度下，实验测量结果可靠性高，摩擦表征参数的辨识准确性高；
3.本发明中提供了一种利用三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置的球形电机Stribeck摩擦模型摩擦表征参数的辨识方法，填补了三自由度球形电机研究中实验法摩擦模型辨识领域的空白，为未来针对三自由度球形电机的摩擦辨识研究打下坚实基础。
附图说明
图1为三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置整体结构示意图；
图2为右连杆安装板结构示意图；
图3为右连杆安装板剖面示意图；
图4为半环状连杆结构示意图；
图5为水平驱动传感组件安装架结构示意图；
图6为垂直驱动传感组件安装架结构示意图；
图7为输出轴联动组件结构示意图；
图中：1-1为器件安装底座，1-2为器件安装框架，1-3为半环状连杆，1-4为水平驱动传感组件安装架，1-5为垂直驱动传感组件安装架，1-6为左连杆安装板，1-7为右连杆安装板，1-8为水平转矩传感器，1-9为水平行星减速机，1-10为水平步进电机，1-11为第一水平联轴器，1-12为第二水平联轴器，1-13为垂直转矩传感器，1-14为垂直行星减速机，1-15为垂直步进电机，1-16为第一垂直联轴器，1-17为第二垂直联轴器，1-18为长辅助轴，2-1为铝合金支板，2-2为支板中轴，3-1为滚珠轴承，3-2为外轴承挡圈，3-3为内轴承挡圈，4-1为电机联动杆，4-2为左配重块，4-3为右配重块，5-1为水平驱动传感组件架高座，5-2为水平转矩传感器固定架，5-3为水平驱动机构固定架，6-1为“L”型内支撑杆，6-2为垂直转矩传感器固定架，6-3为垂直驱动机构固定架，7-1为输出轴联轴器，7-2为短辅助轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参照图1至图7，一种三自由度球形电机摩擦辨识实验装置及方法，该摩擦辨识实验装置包括器件安装底座1-1、器件安装框架1-2、半环状连杆安装架、半环状连杆1-3、水平驱动传感组件安装架1-4、水平驱动传感组件、垂直驱动传感组件安装架1-5、垂直驱动传感组件和输出轴联动组件；
所述器件安装底座呈“十”字型，“十”字的交点处用于放置三自由度球形电机；“十”字的短边用于安装器件安装框架1-2，短边长度大于三自由度球形电机的最大宽度；“十”字的长边用于半环状连杆安装架和水平驱动传感组件安装架1-4；
所述器件安装框架1-2包括2根垂直支撑柱和1根水平横梁；
所述半环状连杆安装架包括右连杆安装板1-7和左连杆安装板1-6，两个连杆安装板的距离大于半环状连杆的最大宽度；所述右连杆安装板由铝合金支板2-1、滚珠轴承3-1、支板中轴2-2、外轴承挡圈3-2和内轴承挡圈3-3组成；所述铝合金支板上有一个开孔，用于安装滚珠轴承；所述滚珠轴3-1承采用过盈配合的方式安装在铝合金支板的开孔中；所述支板中轴2-2采用过盈配合的方式安装在滚珠轴承3-1的中轴线位置，支板中轴2-2靠近球形电机的一侧有螺纹安装孔；所述外轴承挡圈3-2和内轴承挡圈3-3分别安装在滚珠轴承3-1的两侧，防止滚珠轴承3-1在水平方向滑动；所述左连杆安装板1-6与右连杆安装板1-7相同，右连杆安装板1-7和左连杆安装板1-6对称安装；
所述半环状连杆1-3包括电机联动杆4-1、左配重块4-2和右配重块4-3；所述电机联动杆4-1侧面分布有长条形开孔，螺栓穿过长条形开孔将电机联动杆4-1与半环状连杆安装架装配固定；所述电机联动杆4-1顶部中央有一个圆形开孔；所述配重块通过螺钉固定在电机联动杆上，并配合螺母和垫圈锁紧；
所述水平驱动传感组件安装架1-4包括水平驱动传感组件架高座5-1、水平转矩传感器固定架5-2和水平驱动机构固定架5-3；所述水平驱动传感组件架高座5-1通过螺栓固定在器件安装底座上，该架高座上有2条水平的长条形孔，用于安装水平转矩传感器固定架5-2和水平驱动机构固定架5-3；所述水平转矩传感器固定架5-2垂直面有4个开孔，用于安装水平转矩传感器1-8；所述水平转矩传感器固定架5-2水平面有4个开孔，通过螺钉固定在水平驱动传感组件架高座5-1上，并配合螺母和垫圈锁紧；所述水平驱动机构固定架5-3呈“U”型，固定架底面有两个水平长条形孔，水平驱动机构固定架5-3可采用螺钉通过长条形孔固定在水平驱动传感组件架高座上，并配合螺母和垫圈锁紧；所述水平驱动机构固定架5-3两边侧面高度不同，较高的面上中间有一个圆形开口，使水行星减速机1-9的输出轴可以通过，四角有4个开孔，用于安装水平行星减速机1-9，较低的面上有2个开孔，用于安装水平步进电机1-10；
所述水平驱动传感组件包括水平转矩传感器1-8、水平行星减速机1-9、水平步进电机1-10、第一水平联轴器1-11和第二水平联轴器1-12；所述水平转矩传感器1-8通过螺钉水平安装在水平转矩传感器固定架5-2上，并配合螺母和垫圈锁紧，该转矩传感器输入轴与右连杆安装板1-6的支板中轴2-2通过第一水平联轴器1-11连接；所述水平行星减速机1-9通过螺钉水平安装在水平驱动机构固定架5-3上，并配合螺母和垫圈锁紧，该行星减速机的输出轴与水平转矩传感器的输出轴通过第二水平联轴器1-12连接；所述水平步进电机1-10安装通过螺钉水平安装在水平驱动机构固定架5-3上，并配合螺母和垫圈锁紧，该步进电机的输出轴与水平行星减速机1-9的凹槽配合连接；所述水平转矩传感器1-8、水平行星减速机1-9和水平步进电机1-10同轴安装；
所述垂直驱动传感组件安装架包括“L”型内支撑杆6-1、垂直转矩传感器固定架6-2和垂直驱动机构固定架6-3；所述“L”型内支撑杆6-1用于安装垂直转矩传感器固定架6-2和垂直驱动机构固定架6-3；所述垂直转矩传感器固定架6-2与水平转矩传感器固定架5-2结构相同，通过螺钉垂直安装在“L”型内支撑杆6-1上，并通过T型螺母锁紧；所述垂直驱动机构固定架6-3与水平驱动机构固定架结构5-3相同，通过螺钉垂直安装在“L”型内支撑杆6-1上，并通过T型螺母锁紧；
所述垂直驱动传感组件包括垂直转矩传感器1-13、垂直行星减速机1-14、垂直步进电机1-15、第一垂直联轴器1-16和第二垂直联轴器1-17，所述垂直转矩传感器1-13通过螺钉垂直安装在垂直转矩传感器固定架6-2上，并通过螺母锁紧，该转矩传感器输入轴与第一垂直联轴器1-16连接；所述垂直行星减速机1-14通过螺钉水平安装在垂直驱动机构固定架6-3上，并配合螺母和垫圈锁紧，该行星减速机的输出轴与垂直转矩传感器1-13的输出轴通过第二垂直联轴器1-17连接；所述垂直步进电机1-15安装通过螺钉垂直安装在垂直驱动机构固定架6-3上，并配合螺母和垫圈锁紧，该步进电机的输出轴与垂直行星减速机1-14的凹槽配合连接；所述垂直转矩传感器1-13、垂直行星减速机1-14和垂直步进电机1-15同轴安装；
所述输出轴联动组件包括输出轴联轴器7-1、短辅助轴7-2和长辅助轴1-18；所述输出轴联轴器7-1安装在三自由度球形电机的输出轴上；所述短辅助轴7-2的一端通过电机联动杆4-1顶部圆形开孔连接到输出轴联轴器7-1的另一端，短辅助轴7-2的另一端悬空，使电机联动杆4-1可以带动三自由度球形电机绕水平轴运动，并且会受到垂直驱动传感组件的干扰；所述短辅助轴7-2仅在三自由度球形电机绕水平轴运动时使用；所述长辅助轴1-18的一端通过电机联动杆4-1顶部圆形开孔连接到输出轴联轴器7-1的另一端，长辅助轴1-18的另一端与垂直转矩传感器1-13输入轴上的第一垂直联轴器1-16相连，使垂直驱动传感组件可以带动三自由度球形电机绕垂直轴运动；所述长辅助轴1-18仅在三自由度球形电机绕垂直轴运动时使用。
利用该摩擦参数辨识实验装置辨识三自由度球形电机Stribeck摩擦模型摩擦表征参数的方法，其特征在于如下步骤：
步骤1：根据欧拉角旋转变换的规律将三自由度球形电机的摩擦转矩分解到大地坐标系的X轴、Y轴和Z轴上，并采用Stribeck摩擦模型对各轴上的正向摩擦转矩Tfx+、Tfy+、Tfz+和负向摩擦转矩Tfx-、Tfy-、Tfz-进行建模，其数学表达式如下：
其中，为X轴、Y轴和Z轴上转速；为X轴、Y轴和Z轴上的负向库伦摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上的正向库伦摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上的负向最大静摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上的正向最大静摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上的负向Stribeck切换速度，为X轴、Y轴和Z轴上的正向Stribeck切换速度；为X轴、Y轴和Z轴上的负向粘滞摩擦系数，为X轴、Y轴和Z轴上的正向粘滞摩擦系数；δ为经验参数，一般取0.5到2，本实施例中δ＝2；
步骤2：进行恒速跟踪预实验，具体步骤：a、使用输出轴联动组件中的长辅助轴；b、在0-250rpm转速区间规定预转速序列其中代表序列中第i个转速值，本实施例中选取38个转速值，即K＝38；按照预转速序列中的转速设置垂直步进电机的转速，分别进行正向恒速跟踪预实验和负向恒速跟踪预实验，并记录每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩；c、根据实验结果确定Stribeck现象产生的转速区间为0-5rpm；
步骤3：在Z轴方向进行恒速跟踪实验，具体步骤：a、使用所述的输出轴联动组件中的长辅助轴；b、在Stribeck现象产生的转速区间0-5rpm内规定转速序列本实施例中选取17个转速值，即N＝17，按照预转速序列中的转速设置垂直步进电机的转速分别进行正向恒速跟踪实验和负向恒速跟踪实验；c、记录转速序列S2z中每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩，记为Z轴摩擦转矩实测序列N＝17；
步骤4：在X轴方向进行恒速跟踪实验，具体步骤：a、使用输出轴联动组件中的短辅助轴；b、在Stribeck现象产生的转速区间0-5rpm内规定转速序列本实施例中选取33个转速值，即N＝17，按照预转速序列中的转速设置水平步进电机的转速分别进行正向恒速跟踪实验和负向恒速跟踪实验；c、记录转速序列II中每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩，记为X轴摩擦转矩实测序列N＝17；
步骤5：在Y轴方向进行恒速跟踪实验，具体步骤：a、将三自由度球形电机逆时针旋转90度；b、在Stribeck现象产生的转速区间0-5rpm内规定转速序列c、记录转速序列S2y中每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩，记为Y轴摩擦转矩实测序列N＝17；
步骤6：设置X轴、Y轴、Z轴的摩擦表征参数向量分别为Px、Py、Pz，其数学表达式如下：
其中，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向库伦摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向库伦摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向最大静摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向最大静摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向Stribeck切换速度，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向Stribeck切换速度；为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向粘滞摩擦系数，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向粘滞摩擦系数；
步骤7：根据式(1)和式(2)，可以得到X轴上的负向摩擦转矩辨识序列和正向摩擦转矩辨识序列中第i项的数学表达式和中第i项的数学表达式为：
同理可以得到Y轴上的负向摩擦转矩辨识序列和正向摩擦转矩辨识序列以及Z轴上的负向摩擦转矩辨识序列和正向摩擦转矩辨识序列
采用X轴摩擦转矩实测序列Ix、Y轴摩擦转矩实测序列Iy和Z轴摩擦转矩实测序列Iz作为摩擦辨识标准数据，根据粒子群进化算法，定义X轴上的负向摩擦转矩标准序列为和正向摩擦转矩标准序列为中第i项σxi-和中第i项σxi+的数学表达式为：
同理可以定义Y轴上的负向摩擦转矩标准序列为和正向摩擦转矩标准序列为以及Z轴上的负向摩擦转矩标准序列为和正向摩擦转矩标准序列为
对每一个摩擦转矩辨识序列设置辨识误差和个体适应度函数，以X轴上的负向摩擦转矩辨识序列为例，
设置X轴上的负向摩擦转矩辨识误差为：
设置X轴上的负向摩擦转矩辨识的个体适应度函数为：
在动力学参数范围内随机初始化粒子种群初始位置和速度，设置种群规模M＝100，设置搜索空间维度D＝8，设置最大辨识次数G＝20000，辨识结果为 按照相同方法可以辨识出摩擦模型表征参数向量Px、Py、Pz中其他参数的具体数值，完成对三自由度球形电机Stribeck摩擦模型摩擦表征参数的辨识，完整的辨识结果如下表1所示：
表1三自由度球形电机Stribeck摩擦模型摩擦表征参数辨识结果
Claims (2)
1.一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置，其特征在于，该摩擦参数辨识实验装置包括器件安装底座、器件安装框架、半环状连杆安装架、半环状连杆、水平驱动传感组件安装架、水平驱动传感组件、垂直驱动传感组件安装架、垂直驱动传感组件和输出轴联动组件；其中：
所述器件安装底座呈“十”字型，“十”字的交点处用于放置三自由度球形电机；“十”字的短边用于安装器件安装框架，短边长度大于三自由度球形电机的最大宽度；“十”字的长边用于半环状连杆安装架和水平驱动传感组件安装架；
所述器件安装框架包括2根垂直支撑柱和1根水平横梁；
所述半环状连杆安装架包括右连杆安装板和左连杆安装板，两个连杆安装板的距离大于半环状连杆的最大宽度；所述右连杆安装板由铝合金支板、滚珠轴承、支板中轴、外轴承挡圈和内轴承挡圈组成；所述铝合金支板上有一个开孔，用于安装滚珠轴承；所述滚珠轴承采用过盈配合的方式安装在铝合金支板的开孔中；所述支板中轴采用过盈配合的方式安装在滚珠轴承的中轴线位置，支板中轴靠近球形电机的一侧有螺纹安装孔；所述外轴承挡圈和内轴承挡圈分别安装在滚珠轴承的两侧，防止滚珠轴承在水平方向滑动；所述左连杆安装板结构与右连杆安装板相同，相对右连杆安装板对称安装；
所述半环状连杆包括电机联动杆、左配重块和右配重块；所述电机联动杆侧面分布有长条形开孔，螺栓穿过长条形开孔将电机联动杆与半环状连杆安装架装配固定；所述电机联动杆顶部中央有一个圆形开孔；所述配重块通过螺钉固定在电机联动杆上，并配合螺母和垫圈锁紧；
所述水平驱动传感组件安装架包括水平驱动传感组件架高座、水平转矩传感器固定架和水平驱动机构固定架；所述水平驱动传感组件架高座通过螺栓固定在器件安装底座上，该架高座上有2条水平的长条形孔，用于安装水平转矩传感器固定架和水平驱动机构固定架；所述水平转矩传感器固定架垂直面有4个开孔，用于安装水平转矩传感器；所述水平转矩传感器固定架水平面有4个开孔，通过螺钉固定在水平驱动传感组件架高座上，并配合螺母和垫圈锁紧；所述水平驱动机构固定架呈“U”型，固定架底面有两个水平长条形孔，水平驱动机构固定架采用螺钉通过长条形孔固定在水平驱动传感组件架高座上，并配合螺母和垫圈锁紧；所述水平驱动机构固定架两边侧面高度不同，较高的面上中间有一个圆形开口，使水行星减速机的输出轴通过，四角有4个开孔，用于安装水平行星减速机，较低的面上有2个开孔，用于安装水平步进电机；
所述水平驱动传感组件包括平转矩传感器、水平行星减速机、水平步进电机、第一水平联轴器和第二水平联轴器；所述水平转矩传感器通过螺钉水平安装在水平转矩传感器固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该转矩传感器输入轴与右连杆安装板的支板中轴通过第一水平联轴器连接；所述水平行星减速机通过螺钉水平安装在水平驱动机构固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该行星减速机的输出轴与水平转矩传感器的输出轴通过第二水平联轴器连接；所述水平步进电机安装通过螺钉水平安装在水平驱动机构固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该步进电机的输出轴与水平行星减速机的凹槽配合连接；所述水平转矩传感器、水平行星减速机和水平步进电机同轴安装；
所述垂直驱动传感组件安装架包括“L”型内支撑杆、垂直转矩传感器固定架和垂直驱动机构固定架；所述“L”型内支撑杆用于安装垂直转矩传感器固定架和垂直驱动机构固定架；所述垂直转矩传感器固定架与水平转矩传感器固定架结构相同，通过螺钉垂直安装在“L”型内支撑杆上，并通过T型螺母锁紧；所述垂直驱动机构固定架与水平驱动机构固定架结构相同，通过螺钉垂直安装在“L”型内支撑杆上，并通过T型螺母锁紧；
所述垂直驱动传感组件包括垂直转矩传感器、垂直行星减速机、垂直步进电机、第一垂直联轴器和第二垂直联轴器；所述垂直转矩传感器通过螺钉垂直安装在垂直转矩传感器固定架上，并通过螺母锁紧，该转矩传感器输入轴与第一垂直联轴器连接；所述垂直行星减速机通过螺钉水平安装在垂直驱动机构固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该行星减速机的输出轴与垂直转矩传感器的输出轴通过第二垂直联轴器连接；所述垂直步进电机安装通过螺钉垂直安装在垂直驱动机构固定架上，并配合螺母和垫圈锁紧，该步进电机的输出轴与垂直行星减速机的凹槽配合连接；所述垂直转矩传感器、垂直行星减速机和垂直步进电机同轴安装；
所述输出轴联动组件包括输出轴联轴器、短辅助轴和长辅助轴；所述输出轴联轴器安装在三自由度球形电机的输出轴上；所述短辅助轴的一端通过电机联动杆顶部圆形开孔连接到输出轴联轴器的另一端，短辅助轴的另一端悬空，使电机联动杆带动三自由度球形电机绕水平轴运动，并且会受到垂直驱动传感组件的干扰；所述短辅助轴仅在三自由度球形电机绕水平轴运动时使用；所述长辅助轴的一端通过电机联动杆顶部圆形开孔连接到输出轴联轴器的另一端，长辅助轴的另一端与垂直转矩传感器输入轴上的第一垂直联轴器相连，使垂直驱动传感组件带动三自由度球形电机绕垂直轴运动；所述长辅助轴仅在三自由度球形电机绕垂直轴运动时使用。
2.一种利用权利要求1所述的摩擦参数辨识实验装置辨识三自由度球形电机Stribeck摩擦模型摩擦表征参数的方法，其特征在于，如下步骤：
步骤1：将三自由度球形电机的摩擦转矩分解到X轴、Y轴和Z轴上，并采用Stribeck摩擦模型对各轴上的正向摩擦转矩Tfx+、Tfy+、Tfz+和负向摩擦转矩Tfx-、Tfy-、Tfz-进行建模，其数学表达式如下：
其中，为X轴、Y轴和Z轴上转速；为X轴、Y轴和Z轴上的负向库伦摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上的正向库伦摩擦转矩； 为X轴、Y轴和Z轴上的负向最大静摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上的正向最大静摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上的负向Stribeck切换速度， 为X轴、Y轴和Z轴上的正向Stribeck切换速度；为X轴、Y轴和Z轴上的负向粘滞摩擦系数，为X轴、Y轴和Z轴上的正向粘滞摩擦系数；δ为经验参数，一般取0.5到2；
步骤2：进行恒速跟踪预实验，具体步骤：a、使用所述的输出轴联动组件中的长辅助轴；b、在0-250rpm转速区间规定预转速序列其中代表序列中第i个转速值；按照预转速序列中的转速设置垂直步进电机的转速，分别进行正向恒速跟踪预实验和负向恒速跟踪预实验，并记录每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩；c、根据实验结果确定Stribeck现象产生的转速区间；
步骤3：在Z轴方向进行恒速跟踪实验，具体步骤：a、使用所述的输出轴联动组件中的长辅助轴；b、在Stribeck现象产生的转速区间内规定转速序列按照预转速序列中的转速设置垂直步进电机的转速分别进行正向恒速跟踪实验和负向恒速跟踪实验；c、记录转速序列S2z中每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩，记为Z轴摩擦转矩实测序列
步骤4：在X轴方向进行恒速跟踪实验，具体步骤：a、使用所述的输出轴联动组件中的短辅助轴；b、在Stribeck现象产生的转速区间内规定转速序列按照预转速序列中的转速设置水平步进电机的转速分别进行正向恒速跟踪实验和负向恒速跟踪实验；c、记录转速序列S2x中每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩，记为X轴摩转矩实测识序列
步骤5：在Y轴方向进行恒速跟踪实验，具体步骤：a、将三自由度球形电机逆时针旋转90度；b、在Stribeck现象产生的转速区间内规定转速序列c、记录转速序列S2y中每个转速下垂直转矩传感器测量的转矩，记为Y轴摩擦转矩实测序列
步骤6：设置X轴、Y轴、Z轴的摩擦表征参数向量分别为Px、Py、Pz，其数学表达式如下：
其中，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向库伦摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向库伦摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向最大静摩擦转矩，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向最大静摩擦转矩；为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向Stribeck切换速度，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向Stribeck切换速度；为X轴、Y轴和Z轴上辨识的负向粘滞摩擦系数，为X轴、Y轴和Z轴上辨识的正向粘滞摩擦系数；
步骤7：采用X轴摩擦转矩实测序列Ix、Y轴摩擦转矩实测序列Iy和Z轴摩擦转矩实测序列Iz作为辨识标准数据，根据粒子群进化算法，设置辨识误差、个体适应度函数、种群规模、搜索空间维度和最大辨识次数，最后辨识出摩擦表征参数向量Px、Py、Pz中各参数的具体数值，完成对三自由度球形电机Stribeck摩擦模型摩擦表征参数的辨识。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110211521.1A CN112816118B (zh) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | 一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110211521.1A CN112816118B (zh) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | 一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112816118A CN112816118A (zh) | 2021-05-18 |
| CN112816118B true CN112816118B (zh) | 2024-05-17 |
Family
ID=75865555
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110211521.1A Active CN112816118B (zh) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | 一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112816118B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101527491A (zh) * | 2009-04-21 | 2009-09-09 | 安徽大学 | 三自由度运动永磁球形步进电动机 |
| CN103780188A (zh) * | 2014-01-23 | 2014-05-07 | 安徽大学 | 基于动态摩擦补偿的永磁球形电机转子自适应控制系统 |
| CN109583093A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-04-05 | 山东大学 | 一种考虑关节弹性的工业机器人动力学参数辨识方法 |
| CN110186673A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-08-30 | 北京工业大学 | 一种测量塑料齿轮行星减速器力学性能的实验装置 |
| CN110209117A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-09-06 | 山东大学 | 一种大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置及方法 |
| CN110460277A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-11-15 | 南京理工大学 | 基于粒子群算法的单电机伺服系统摩擦非线性补偿方法 |
| CN214149659U (zh) * | 2021-02-25 | 2021-09-07 | 安徽大学 | 一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106026763B (zh) * | 2016-05-17 | 2017-05-17 | 西安交通大学 | 一种压电陶瓷驱动的三自由度角度调节装置及调节方法 |
-
2021
- 2021-02-25 CN CN202110211521.1A patent/CN112816118B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101527491A (zh) * | 2009-04-21 | 2009-09-09 | 安徽大学 | 三自由度运动永磁球形步进电动机 |
| CN103780188A (zh) * | 2014-01-23 | 2014-05-07 | 安徽大学 | 基于动态摩擦补偿的永磁球形电机转子自适应控制系统 |
| CN109583093A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-04-05 | 山东大学 | 一种考虑关节弹性的工业机器人动力学参数辨识方法 |
| CN110209117A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-09-06 | 山东大学 | 一种大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置及方法 |
| CN110186673A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-08-30 | 北京工业大学 | 一种测量塑料齿轮行星减速器力学性能的实验装置 |
| CN110460277A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-11-15 | 南京理工大学 | 基于粒子群算法的单电机伺服系统摩擦非线性补偿方法 |
| CN214149659U (zh) * | 2021-02-25 | 2021-09-07 | 安徽大学 | 一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 运动副摩擦参数的识别方法研究;吴子英;刘宏昭;刘丽兰;李鹏飞;原大宁;;应用力学学报(第01期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112816118A (zh) | 2021-05-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6629446B2 (en) | Single vector calibration system for multi-axis load cells and method for calibrating a multi-axis load cell | |
| CN102853978B (zh) | 一种机床三维静刚度加载试验装置及试验方法 | |
| CN111964575A (zh) | 一种面向移动机器人铣削加工的数字孪生建模方法 | |
| Dong et al. | Contact force detection and control for robotic polishing based on joint torque sensors | |
| CN109927032A (zh) | 一种基于高阶滑模观测器的机械臂轨迹跟踪控制方法 | |
| CN105583824A (zh) | 力控牵引和摆位的多自由度机械臂控制装置及其控制方法 | |
| Huang et al. | Modeling and elastic deformation compensation of flexural feed drive system | |
| Dejima et al. | Dynamic modeling, controller design and experimental validation of a planar motion stage for precision positioning | |
| Liu et al. | Research on parallel load sharing principle of piezoelectric six-dimensional heavy force/torque sensor | |
| Ohnishi et al. | Decoupling control method for high-precision stages using multiple actuators considering the misalignment among the actuation point, center of gravity, and center of rotation | |
| Wertjanz et al. | Design and control of a maglev platform for positioning in arbitrary orientations | |
| Wu et al. | A study on tracking error based on mechatronics model of a 5-DOF hybrid spray-painting robot | |
| CN214149659U (zh) | 一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置 | |
| Eggers et al. | Modeling and experimental validation of the influence of robot temperature on its energy consumption | |
| CN112816118B (zh) | 一种三自由度球形电机摩擦参数辨识实验装置及方法 | |
| Chu et al. | An active compliant docking method for large gear components based on distributed force sensor | |
| CN111673742A (zh) | 一种工业机器人轨迹跟踪控制算法 | |
| Naves et al. | T-Flex: A fully flexure-based large range of motion precision hexapod | |
| CN106855582B (zh) | 卫星对日定向驱动装置地面六自由度加载测试系统 | |
| Semm et al. | Efficient dynamic parameter identification framework for machine tools | |
| CN111157199B (zh) | 柔性电缆刚度测定试验方法、系统及介质 | |
| Denkena et al. | Innovative drive concept for machining robots | |
| CN115096496B (zh) | 一种采用索驱机构进行空间六维力解耦测量的方法 | |
| Sun et al. | Research on the tracing accurate of force based on fuzzy-pi control for a high-speed landing system | |
| Li et al. | Trajectory planning method for docking of large aircraft components |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |