CN113639944B - 一种面向刚柔耦合体的刚度测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向刚柔耦合体的刚度测量系统，包括安装固定单元、动力测量单元和运动捕捉单元，安装固定单元包括Z轴滑台、安装支架、刚柔耦合体以及拉线，刚柔耦合体与安装支架可拆卸连接；刚柔耦合体包括柔性体和刚性体，拉线连接两个刚性体；动力测量单元包括驱动器、扭矩测量仪和卷线轮，驱动器利用扭矩测量仪与卷线轮传动相连，拉线与卷线轮相连。本发明还提供一种面向刚柔耦合体的刚度测量方法，利用扭矩测量仪和捕捉元件监测刚柔耦合体得到的运动数据，进而得到刚柔耦合体结合截面形状求解的理论弯曲刚度；在得到扭矩测量仪测量数据的基础上，构建理论刚度模型，得到刚柔耦合体测量的实际弯曲刚度，进行校验修正。

Description

一种面向刚柔耦合体的刚度测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及刚柔耦合技术领域，特别是涉及一种面向刚柔耦合体的刚度测量系统及测量方法。

背景技术

刚柔耦合体因其良好的柔韧性与灵活性广泛运用于机器人的执行部件中。通常机器人中的刚柔耦合体由刚体部分实现连接固定，柔性体部分实现弯曲运动。常见的刚柔耦合体的驱动形式有绳驱动、气动、弹性介电体，以上驱动形式通过将电机动能或者电能转换为目标的弯曲运动。为精确控制上述能量转换过程，需要获取刚柔耦合体的刚度，以建立起刚柔耦合体变形量与刚度以及电机输出的对应关系。同时，非完全对称的刚柔耦合体向不同方位的弯曲刚度也不相同，这就需要测量系统能够实现快速便捷的弯曲方向切换以实现刚柔耦合体刚度的多方位测量。

公开号为CN109238874A的中国专利，公开了一种多功能的金属软管弯曲刚度测量装置，包括支撑杆，第一加固杆，底盘，气缸，检测伸缩管，检测推头，PLC控制器，控制按键，测量尺，调节固定座结构，金属软管，指定固定架结构和推平板结构，第一加固杆焊接在支撑杆内壁的下部；底盘焊接在支撑杆的底部；气缸螺栓安装在第一加固杆上表面的纵向中间部位。该现有技术通过调节固定座结构的设置，有利于方便地调节滑动块与滑动块之间的间距，同时也方便不同长短的金属软管。通过调节固定座结构的设置有利于方便地调节该指定固定架结构的高度，同时也更加方便的使用或收纳该指定固定架结构。但是上述现有技术，无法实现多方位测量，同样不适用于结构复杂非对称的刚柔耦合体。

现有的刚度测量系统，通常不能实现多方位测量，由于非完全对称的刚柔耦合体向不同方位的弯曲刚度也不相同，使得现有的刚度测量系统难以准确测量多方位刚度。同时，现有的刚度测量系统对其测量对象的运动轨迹并没有实现准确跟踪，再加之没有考虑截面形状使得实际变形量与刚度对应关系不准确，尤其是对于结构复杂非对称的刚柔偶合体，刚柔耦合体实际刚度测量仍然难度较大。

因此，如何改变现有技术中，刚柔耦合体实际刚度测量困难以及实际变形量与刚度对应关系不准确的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向刚柔耦合体的刚度测量系统及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高刚柔耦合体的刚度测量便捷性以及测量准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种面向刚柔耦合体的刚度测量系统，包括：

安装固定单元，所述安装固定单元包括Z轴滑台、安装支架、刚柔耦合体以及拉线，所述安装支架与所述Z轴滑台可拆卸相连，所述Z轴滑台能够带动所述安装支架沿竖直方向往复运动，所述刚柔耦合体与所述安装支架可拆卸连接；所述刚柔耦合体包括柔性体和设置于所述柔性体两端的刚性体，所述刚性体具有能够固定所述拉线的穿线孔，所述拉线连接两个所述刚性体；

动力测量单元，所述动力测量单元包括驱动器、扭矩测量仪和卷线轮，所述驱动器利用所述扭矩测量仪与所述卷线轮传动相连，所述驱动器能够带动所述卷线轮转动，所述卷线轮的转动轴线垂直于所述拉线设置，其中一条所述拉线穿过所述刚性体以及所述安装支架后与所述卷线轮相连，所述卷线轮转动能够缠绕所述拉线；

运动捕捉单元，所述运动捕捉单元包括捕捉元件，所述捕捉元件能够监测所述刚柔耦合体的运动并得到运动数据。

优选地，所述刚柔耦合体为回转体，所述柔性体的径向截面面积较所述刚性体的径向截面面积小。

优选地，所述穿线孔的数量为四个，四个所述穿线孔绕所述刚性体的轴线周向均布，靠近所述动力测量单元的一条所述拉线与所述卷线轮相连。

优选地，所述安装固定单元还包括滑台连接支架，所述滑台连接支架与所述Z轴滑台可拆卸连接，所述安装支架与所述滑台连接支架可拆卸连接且连接位置能够调整，所述安装支架位于所述滑台连接支架的顶部，所述滑台连接支架具有能够允许所述拉线穿过的通孔。

优选地，所述滑台连接支架与所述安装支架磁吸连接。

优选地，所述安装支架具有凸起部，所述凸起部与所述安装支架同轴设置，所述凸起部以及所述滑台连接支架的中心部均内置磁铁。

优选地，所述安装支架可转动地与所述滑台连接支架相连，所述安装支架相对于所述滑台连接支架转动的轴线与所述刚柔耦合体的轴线相重合，所述安装支架与所述滑台连接支架之间设置有锁定元件，所述锁定元件能够固定所述安装支架与所述滑台连接支架的相对位置。

优选地，所述滑台连接支架具有凸起的连接柱，所述安装支架具有与所述连接柱相适配的插孔，所述插孔的数量为多个，多个所述插孔绕所述安装支架的轴线周向均布，所述滑台连接支架与所述安装支架插接相连。

优选地，所述连接柱的数量为三个，三个所述连接柱绕所述滑台连接支架的轴线周向均布，所述插孔的位置与所述连接柱的位置相匹配。

本发明还提供一种面向刚柔耦合体的刚度测量方法，利用上述的面向刚柔耦合体的刚度测量装置，利用所述驱动器带动所述卷线轮转动，进而利用与所述卷线轮相连的所述拉线实现所述刚柔耦合体的弯曲运动，利用所述扭矩测量仪和所述捕捉元件监测所述刚柔耦合体得到的运动数据，进而计算所述刚柔耦合体的弯曲刚度。

优选地，构建理论刚度模型，所述理论刚度模型包括两个铰接的T形杆，两个所述T形杆之间设置有弹性件，转动所述T形杆，令两个T形杆的横杆之间的角度与所述刚柔耦合体的弯曲角度相一致；

所述刚柔耦合体结合截面形状求解的理论弯曲刚度的计算公式为：

所述刚柔耦合体测量的实际弯曲刚度的计算公式为：

其中，K为弯曲刚度，F为所述扭矩测量仪测得的扭矩M推导得到的作用于所述刚柔耦合体的力，F＝M/R_Wheel，R_Wheel为所述卷线轮的半径；d为所述T形杆的运动捕捉点的水平偏移量；H为所述理论刚度模型自由状态时的高度，与所述刚柔耦合体的高度相一致，利用式二对式一进行校验修正。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统，包括安装固定单元、动力测量单元和运动捕捉单元，其中，安装固定单元包括Z轴滑台、安装支架、刚柔耦合体以及拉线，安装支架与Z轴滑台可拆卸相连，Z轴滑台能够带动安装支架沿竖直方向往复运动，刚柔耦合体与安装支架可拆卸连接；刚柔耦合体包括柔性体和设置于柔性体两端的刚性体，刚性体具有能够固定拉线的穿线孔，拉线连接两个刚性体；动力测量单元包括驱动器、扭矩测量仪和卷线轮，驱动器利用扭矩测量仪与卷线轮传动相连，驱动器能够带动卷线轮转动，卷线轮的转动轴线垂直于拉线设置，其中一条拉线穿过刚性体以及安装支架后与卷线轮相连，卷线轮转动能够缠绕拉线；运动捕捉单元包括捕捉元件，捕捉元件能够监测刚柔耦合体的运动并得到运动数据。

本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统，利用安装支架固定刚柔耦合体，安装支架设置于Z轴滑台上，Z轴滑台能够带动安装支架沿竖直方向往复运动，从而调整刚柔耦合体的高度，为测量提供便利；动力测量单元中的卷线轮与连接两个刚性体的一条拉线相连，利用驱动器带动卷线轮转动，进而拉动拉线，使得刚柔耦合体发生弯曲运动，驱动器与卷线轮之间利用扭矩测量仪监测驱动器输出的扭矩大小，同时利用运动捕捉单元监测刚柔耦合体的运动并获得运动数据，以便对刚柔耦合体的截面刚度模型进行实时解算；还需要说明的是，刚柔耦合体可以是对称结构也可以是非完全对称结构，方便多方位测量以实现对刚柔耦合体的刚度表征。

本发明还提供一种面向刚柔耦合体的刚度测量方法，利用上述的面向刚柔耦合体的刚度测量装置，利用驱动器带动卷线轮转动，进而通过与卷线轮相连的拉线实现刚柔耦合体的弯曲运动，利用扭矩测量仪和捕捉元件监测刚柔耦合体得到的运动数据，进而计算刚柔耦合体的弯曲刚度。

本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量方法，通过捕捉元件实现刚柔耦合体的运动数据的提取，并利用扭矩测量仪实时监测驱动器输出的扭矩，运用获取的数据对刚柔耦合体的截面刚度模型进行实时解算，最终得到刚柔耦合体的弯曲刚度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的结构示意图；

图2为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的部分结构示意图；

图3为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元和动力测量单元的结构示意图；

图4为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元的轴测示意图；

图5为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元的主视示意图；

图6为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元的侧视示意图；

图7为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元的俯视示意图；

图8为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的动力测量单元的轴测示意图；

图9为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的动力测量单元的主视示意图；

图10为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的动力测量单元的侧视示意图；

图11为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的动力测量单元的俯视示意图；

图12为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装支架的结构示意图；

图13为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的滑台连接支架的结构示意图；

图14为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装底板的结构示意图；

图15为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的刚柔耦合体的结构示意图；

图16为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的柔性体的示意图；

图17为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的刚柔耦合体的中间截面示意图；

图18为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量方法的理论刚度模型示意图；

图19为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量方法的流程图。

其中，1为安装固定单元，101为Z轴滑台，102为安装支架、103为刚柔耦合体，104为拉线，105为柔性体，106为刚性体，107为穿线孔，108为滑台连接支架，109为凸起部，110为连接柱，111为插孔，112为安装板，2为动力测量单元，201为驱动器，202为扭矩测量仪，203为卷线轮，204为安装底板，205为电机支架，206为联轴器，207为带座轴承，3为运动捕捉单元，301为捕捉元件，4为T形杆，5为弹性件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种面向刚柔耦合体的刚度测量系统及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高刚柔耦合体的刚度测量便捷性以及测量准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-19，其中，图1为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的结构示意图，图2为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的部分结构示意图，图3为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元和动力测量单元的结构示意图，图4为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元的轴测示意图，图5为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元的主视示意图，图6为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元的侧视示意图，图7为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装固定单元的俯视示意图，图8为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的动力测量单元的轴测示意图，图9为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的动力测量单元的主视示意图，图10为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的动力测量单元的侧视示意图，图11为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的动力测量单元的俯视示意图，图12为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装支架的结构示意图，图13为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的滑台连接支架的结构示意图，图14为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的安装底板的结构示意图，图15为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的刚柔耦合体的结构示意图，图16为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的柔性体的示意图，图17为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统的刚柔耦合体的中间截面示意图，图18为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量方法的理论刚度模型示意图，图19为本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量方法的流程图。

本发明提供一种面向刚柔耦合体的刚度测量系统，包括安装固定单元1、动力测量单元2和运动捕捉单元3，其中，安装固定单元1包括Z轴滑台101、安装支架102、刚柔耦合体103以及拉线104，安装支架102与Z轴滑台101可拆卸相连，Z轴滑台101能够带动安装支架102沿竖直方向往复运动，刚柔耦合体103与安装支架102可拆卸连接；刚柔耦合体103包括柔性体105和设置于柔性体105两端的刚性体106，刚性体106具有能够固定拉线104的穿线孔107，拉线104连接两个刚性体106；动力测量单元2包括驱动器201、扭矩测量仪202和卷线轮203，驱动器201利用扭矩测量仪202与卷线轮203传动相连，驱动器201能够带动卷线轮203转动，卷线轮203的转动轴线垂直于拉线104设置，其中一条拉线104穿过刚性体106以及安装支架102后与卷线轮203相连，卷线轮203转动能够缠绕拉线104；运动捕捉单元3包括捕捉元件301，捕捉元件301能够监测刚柔耦合体103的运动并得到运动数据。

本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量系统，利用安装支架102固定刚柔耦合体103，安装支架102设置于Z轴滑台101上，Z轴滑台101能够带动安装支架102沿竖直方向往复运动，从而调整刚柔耦合体103的高度，方便拉线104与卷线轮203连接，同时为测量提供便利；动力测量单元2中的卷线轮203与连接两个刚性体106的一条拉线104相连，利用驱动器201带动卷线轮203转动，进而拉动拉线104，使得刚柔耦合体103发生弯曲运动，驱动器201与卷线轮203之间利用扭矩测量仪202监测驱动器201输出的扭矩大小，同时利用运动捕捉单元3监测刚柔耦合体103的运动并获得运动数据，以便对刚柔耦合体103的截面刚度模型进行实时解算；还需要说明的是，刚柔耦合体103可以是对称结构也可以是非完全对称结构，方便多方位测量以实现对刚柔耦合体103的刚度表征。

在本具体实施方式中，每个刚性体106上的穿线孔107的数量为四个，四个穿线孔107绕刚性体106的轴线周向均布，相应地，拉线104的数量为四条，穿过顶部刚性体106的穿线孔107的拉线104用锁扣固定，其中，三条拉线104穿过底部刚性体106的穿线孔107后，仍用锁扣固定，靠近动力测量单元2的一条拉线104穿过底部刚性体106的穿线孔107以及安装支架102后与卷线轮203相连，卷线轮203转动令拉线104缠绕，从而使得刚柔耦合体103发生弯曲运动。需要说明的是，在具体应用中，刚性体106和柔性体105利用卡箍连接，柔性体105可以是对称结构也可以为非完全对称结构，如图16所示，柔性体105为非完全对称结构，不同的弯曲角度所对应的弯曲刚度也不相同，此时需要多方位测量以实现对刚柔耦合体103的刚度表征，多方位测量时调整刚柔耦合体103与安装支架102的相对位置可实现弯曲角度的灵活调整。

具体地，安装固定单元1还包括滑台连接支架108，滑台连接支架108与Z轴滑台101可拆卸连接，安装支架102与滑台连接支架108可拆卸连接，安装支架102利用滑台连接支架108与Z轴滑台101相连，提高了操作便捷性，同时，安装支架102位于滑台连接支架108的顶部，滑台连接支架108与安装支架102共同支撑刚柔耦合体103，提高测量系统的稳定性，滑台连接支架108具有能够允许拉线104穿过的通孔，拉线104由安装支架102和滑台连接支架108穿过后与卷线轮203相连。还需要强调的是，安装支架102与滑台连接支架108的连接位置能够调整，调整安装支架102与滑台连接支架108的连接位置，方便对不同刚柔耦合体103不同角度的弯曲刚度进行测量，提高测量便捷性。

在本具体实施方式中，滑台连接支架108与安装支架102磁吸连接，拆装方便，其中，安装支架102具有凸起部109，凸起部109内部含有磁铁，凸起部109与安装支架102同轴设置，滑台连接支架108的中心部也设置有磁铁，磁吸连接，为连接操作提供了便利，减轻操作人员劳动负担，将磁铁设置于中心部还能够避免影响安装支架102与滑台连接支架108调整连接位置。另外，凸起部109设置于安装支架102的轴线上，刚柔耦合体103设置于凸起部109上，利用拉线104和锁扣固定，即，刚柔耦合体103也是凸出于安装支架102的，避免安装支架102影响刚柔耦合体103的弯曲运动，确保测量的顺利进行。

与此同时，安装支架102可转动地与滑台连接支架108相连，安装支架102相对于滑台连接支架108转动的轴线与刚柔耦合体103的轴线相重合，令安装支架102相对于滑台连接支架108转动，即可方便地改变刚柔耦合体103的测量角度，从而对刚柔耦合体103不同角度的刚度进行测量，提高测量便捷性。为了避免测量过程中，安装支架102与滑台连接之间108发生相对转动影响测量正常进行，安装支架102与滑台连接支架108之间设置有锁定元件，锁定元件能够固定安装支架102与滑台连接支架108的相对位置，在调整好二者的连接位置后，锁定元件固定安装支架102和滑台连接支架108的相对位置，提高系统的工作稳定性和可靠性。

其中，滑台连接支架108具有朝向安装支架102凸起的连接柱110，安装支架102具有与连接柱110相适配的插孔111，插孔111的数量为多个，令不同的插孔111与连接柱110插接，实现安装支架102相对于滑台连接支架108相对转动，从而方便地调整安装支架102与滑台连接支架108的连接位置，满足不同角度的测量。滑台连接支架108与安装支架102插接相连，在磁吸连接的同时，利用连接柱110与插孔111进行限位，避免测量过程中安装支架102与滑台连接支架108发生相对滑动，提高测量系统稳定性。在本发明的其他具体实施方式中，还可以采用环形滑轨或齿轮等方式实现安装支架102与滑台连接支架108的相对转动。

为了进一步提高系统的工作稳定性，在本具体实施方式中，连接柱110的数量为三个，绕滑台连接支架108的轴线分布，在调整安装支架102与滑台连接支架108之间相对位置的同时，还能够起到避免二者在测量中相对运动发生错位的情况，即连接柱110与插孔111相配合同时兼具了锁定元件的作用，进一步提高系统稳定性的同时，提高了安装支架102与滑台连接支架108的受力均匀性，避免二者相对转动，保证了测量系统的可靠性。

更具体地，安装固定单元1还包括安装板112，Z轴滑台101固定于安装板112上；动力测量单元2还包括安装底板204，驱动器201、扭矩测量仪202以及卷线轮203均设置于安装底板204上。

在本具体实施方式中，驱动器201为电机，驱动器201利用电机支架205固定，为驱动器201提供稳定支撑，驱动器201与扭矩测量仪202之间以及扭矩测量仪202与卷线轮203之间均设置联轴器206，驱动器201与联轴器206之间以及联轴器206与卷线轮203之间均设置带座轴承207，确保动力传输稳定顺畅。

另外，捕捉元件301为摄像元件，捕捉元件301的数量为六组，在实际应用中还可以根据实际需要设置捕捉元件301的数量，捕捉元件301呈阵列状排布或环绕设置，确保捕捉的运动信息全面准确。

本发明还提供一种面向刚柔耦合体的刚度测量方法，利用上述的面向刚柔耦合体的刚度测量装置，利用驱动器201带动卷线轮203转动，进而利用与卷线轮203相连的拉线104实现刚柔耦合体103的弯曲运动，利用扭矩测量仪202和捕捉元件301监测刚柔耦合体103得到的运动数据，进而计算刚柔耦合体103的弯曲刚度。

以图17所示的刚柔耦合体103的截面为例，下面对刚柔耦合体103的截面刚度模型进行计算：

K_FS＝E_FSI_FS

其中，K_FS为截面弯曲刚度，E_FS为弹性模量，I_FS为惯性矩；

其中，H为刚柔耦合体103高度，α为刚柔耦合体103中柔性体105的弯曲角度，R为截面外侧半径，r为截面内侧半径；

构建理论刚度模型，理论刚度模型包括两个铰接的T形杆4，两个T形杆4之间设置有弹性件5，转动T形杆4，令两个T形杆4的横杆之间的角度与刚柔耦合体103的弯曲角度相一致；

刚柔耦合体103结合截面形状求解的理论弯曲刚度的计算公式为：

刚柔耦合体103测量的实际弯曲刚度的计算公式为：

其中，K为弯曲刚度，F为扭矩测量仪202测得的扭矩M推导得到的作用于刚柔耦合体103的力，此时作用于T形杆4上，F＝M/R_Wheel，R_Wheel为卷线轮的半径；d为T形杆4的运动捕捉点的水平偏移量，与刚柔耦合体103的运动捕捉点的偏移量(可利用运动捕捉单元3获得)相一致；H为理论刚度模型自由状态时的高度，与刚柔耦合体103的高度相一致。

利用式(2)对式(1)进行校验修正。

本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量方法，利用卷线轮203和拉线104实现刚柔耦合体103的弯曲运动，利用扭矩测量仪202和捕捉元件301监测刚柔耦合体103得到的运动数据，进而计算刚柔耦合体103结合截面形状求解的理论弯曲刚度，在得到扭矩测量仪202测量数据的基础上，构建理论刚度模型，得到刚柔耦合体103测量的实际弯曲刚度，进行校验修正，具体流程参见图19。综上，本发明的面向刚柔耦合体的刚度测量方法解决了刚柔耦合体103实际刚度测量困难，实际变形量与刚度对应关系不准确，以及无法实现的多方位测量的问题。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种面向刚柔耦合体的刚度测量系统，其特征在于，包括：

安装固定单元，所述安装固定单元包括Z轴滑台、安装支架、刚柔耦合体以及拉线，所述安装支架与所述Z轴滑台可拆卸相连，所述Z轴滑台能够带动所述安装支架沿竖直方向往复运动，所述刚柔耦合体与所述安装支架可拆卸连接；所述刚柔耦合体包括柔性体和设置于所述柔性体两端的刚性体，所述刚性体具有能够固定所述拉线的穿线孔，所述拉线连接两个所述刚性体；所述安装固定单元还包括滑台连接支架，所述滑台连接支架与所述Z轴滑台可拆卸连接，所述安装支架与所述滑台连接支架可拆卸连接且连接位置能够调整，所述安装支架位于所述滑台连接支架的顶部，所述滑台连接支架具有能够允许所述拉线穿过的通孔；所述滑台连接支架与所述安装支架磁吸连接；所述安装支架可转动地与所述滑台连接支架相连，所述安装支架相对于所述滑台连接支架转动的轴线与所述刚柔耦合体的轴线相重合，所述安装支架与所述滑台连接支架之间设置有锁定元件，所述锁定元件能够固定所述安装支架与所述滑台连接支架的相对位置；

动力测量单元，所述动力测量单元包括驱动器、扭矩测量仪和卷线轮，所述驱动器利用所述扭矩测量仪与所述卷线轮传动相连，所述驱动器能够带动所述卷线轮转动，所述卷线轮的转动轴线垂直于所述拉线设置，其中一条所述拉线穿过所述刚性体以及所述安装支架后与所述卷线轮相连，所述卷线轮转动能够缠绕所述拉线；

运动捕捉单元，所述运动捕捉单元包括捕捉元件，所述捕捉元件能够监测所述刚柔耦合体的运动并得到运动数据。

2.根据权利要求1所述的面向刚柔耦合体的刚度测量系统，其特征在于：所述刚柔耦合体为回转体，所述柔性体的径向截面面积较所述刚性体的径向截面面积小。

3.根据权利要求1所述的面向刚柔耦合体的刚度测量系统，其特征在于：所述穿线孔的数量为四个，四个所述穿线孔绕所述刚性体的轴线周向均布，靠近所述动力测量单元的一条所述拉线与所述卷线轮相连。

4.根据权利要求1所述的面向刚柔耦合体的刚度测量系统，其特征在于：所述安装支架具有凸起部，所述凸起部与所述安装支架同轴设置，所述凸起部以及所述滑台连接支架的中心部均内置磁铁。

5.根据权利要求1所述的面向刚柔耦合体的刚度测量系统，其特征在于：所述滑台连接支架具有凸起的连接柱，所述安装支架具有与所述连接柱相适配的插孔，所述插孔的数量为多个，多个所述插孔绕所述安装支架的轴线周向均布，所述滑台连接支架与所述安装支架插接相连；

所述连接柱的数量为三个，三个所述连接柱绕所述滑台连接支架的轴线周向均布，所述插孔的位置与所述连接柱的位置相匹配。

6.一种面向刚柔耦合体的刚度测量方法，利用权利要求1-5任一项所述的面向刚柔耦合体的刚度测量装置，其特征在于：

利用所述驱动器带动所述卷线轮转动，进而利用与所述卷线轮相连的所述拉线实现所述刚柔耦合体的弯曲运动，利用所述扭矩测量仪和所述捕捉元件监测所述刚柔耦合体得到的运动数据，进而计算所述刚柔耦合体的弯曲刚度。

7.根据权利要求6所述的面向刚柔耦合体的刚度测量方法，其特征在于：

构建理论刚度模型，所述理论刚度模型包括两个铰接的T形杆，两个所述T形杆之间设置有弹性件，转动所述T形杆，令两个T形杆的横杆之间的角度与所述刚柔耦合体的弯曲角度相一致；

所述刚柔耦合体结合截面形状求解的理论弯曲刚度的计算公式为：

所述刚柔耦合体测量的实际弯曲刚度的计算公式为：

其中，K为弯曲刚度，F为所述扭矩测量仪测得的扭矩M推导得到的作用于所述刚柔耦合体的力，F＝M/R_Wheel，R_Wheel为所述卷线轮的半径；d为所述T形杆的运动捕捉点的水平偏移量；H为所述理论刚度模型自由状态时的高度，与所述刚柔耦合体的高度相一致，利用式二对式一进行校验修正。

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