CN109839087B - 一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试方法，该测试方法涉及一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试装置，该测试装置包括主支架、伸缩臂、可滑动基座、拉绳位移传感器、靶标、拉绳和信息处理面板，将靶标与被测机构连接在一起，启动被测机构，被测机构带动靶标运动，从而带动拉绳位移传感器的绳长变化，拉绳位移传感器实时记录绳长变化数据，将数据发送给主支架下方的信息处理面板，信息处理面板简化测试装置结构，并建立三维数学模型，最后将绳长变化数据代入从而得到被测机构的运动性能参数。本发明应用范围广，能够精确计算被测并联机构或串联机构的运动位置、运动轨迹和运动速度。
Description
技术领域
本发明涉及机构学与机器人学领域，特别涉及一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试方法。
背景技术
随着中国经济快速发展，中国企业自动化水平不断提高，机构与机器人市场的需求越来越大，种类也越来越多。
并联机构是相对于串联机构而言的，是机构学与机器人学的一个重要研究领域，是通过多个分支将运动平台和固定平台连接的闭环机构，它的特点是各个分支链可以同时接受驱动器输入，共同决定运动平台输出。并联机构具有的多闭环空间运动链，其和串联机构相比刚度增大、累计误差减小、运动学性能更好、结构也更加紧凑，一经提出就在工业生产中大显身手并得到了广泛的应用。尤其是为机器人的研究和机床的研究方面提供了新的热点，弥补了串联机构的不足，由于并联机构的结构刚度大，承载能力强，位置精度高等优点，吸引了国内外工程界与学术界的广泛关注，几十年来，人们不断致力于新型并联机构的研发。
目前，我国的并联机构与机器人类型众多，各厂家技术差异较大，测试标准的各项性能指标都是由厂家自由选做。不同机器人的运动特点不同，行程、速度、轨迹、精度差异较大，对检测设备的要求也各不相同。
目前的测试工具有激光追踪仪、三坐标测量仪等工具。激光追踪仪具有对空间运动进行跟踪的功能，从而满足空间测量的需求，但是在角度计算换算方面会造成一定的误差，远距离会造成误差过大。
例如专利201710095556.7公开的一种机器人三维重复定位测试系统，该测试系统将三个激光位移传感器成两两正交的方向分别固定于三个支架上，并将三个激光束同时投向反射体，同步进行三维坐标采集。但是机器人移动过快时，激光位移传感器无法保证及时追踪到位；而且有旋转和角度倾斜以后，由于传感器只有位移功能，不能旋转，没办法保证两两正交，收集到的数据可能会出现过大偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试方法，能够精确计算被测并联机构或串联机构的运动位置、运动轨迹和运动速度，应用范围广。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试方法，该测试方法涉及一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试装置，该测试装置包括主支架、伸缩臂、可滑动基座、拉绳位移传感器、靶标、拉绳和信息处理面板，主支架分别通过双头球连接杆连接三条伸缩臂，三条伸缩臂上各安装一个可滑动基座，可滑动基座滑动固定在伸缩臂上，其中两个可滑动基座上各安装两个拉绳位移传感器，另外一个可滑动基座上安装三个拉绳位移传感器，拉绳位移传感器通过拉绳连接靶标，靶标连接在被测机构上，主支架连接端共有九个定位销，每个连接端插置三个定位销，一个定位销设于连接端的正上方，另外两个定位销分别设于连接端的两侧，对应地，每条伸缩臂上也插置三个定位销，对应的定位销之间连接卡扣，连接时主支架和伸缩臂牢固的水平结合在一起，主支架连接端设计为内倾的斜坡状，当正上方的卡扣松开时，伸缩臂在双头球连接杆、两侧定位销以及卡扣的辅助下，伸缩臂可以绕着主支架斜坡状的连接端从水平向下旋转到竖直状态，如果不使用，可以将可滑动基座、拉绳位移传感器、靶标单独拆解下来；主支架放置信息处理面板，信息处理面板连接拉绳位移传感器，信息处理面板将绳长的变化数据进行收集，基于绳长的变化数据，该测试方法包括：
1)测试装置结构简化：设可滑动基座的位置为ABC三点，构成三角形ABC，靶标上有三个指定位置，设三个指定位置为DEF三点，构成三角形DEF，然后将其中一个可滑动基座的三根拉绳分别连接三个指定位置，另外两个可滑动基座上的四根拉绳按照2：1:1的比例分别连接在三个指定位置，设拉绳为线段，通过线段将ABC三点和DEF三点连接起来，即线段AE、AD、AF、BE、BF、CF、CD这七条线段的长度；
2)再简化：该结构可以再分割为三个三棱锥，即三棱锥F-ABC、三棱锥E-FAB、三棱锥D-FAC，以A点为坐标原点，Z轴垂直于三角形ABC所在平面向上，AC所在直线为Y轴方向，X轴方向为Z轴和Y轴的矢量叉积；
3)参数计算：三棱锥F-ABC中，三角形ABC三点坐标已知，设三条棱边的长分别为lFA、lFB、lFC，从几何关系可以建立如下方程：
由此可以得到F点的坐标，即xF、yF、zF三个值；同理，可以求出D、E两点的坐标，然后就可以求出三角形DEF中间点的坐标，即被测机构的运动位置；
将收集到的绳长变化数据重复按以上步骤计算，就可以得到三角形DEF中间点坐标的所有点集合，也就是被测机构的运动轨迹；
基于运动轨迹，再和时间进行换算，可以得到被测机构的运动速度。
优选地，所述三角形DEF和三角形ABC的边长可以分别根据实际工作中指定位置和可滑动基座的位置确定。
优选地，所述运动速度再和时间进行换算，可以得到被测机构的运动加速度。
采用上述方案后，被测机构在运动时带动本发明的靶标进行移动，与靶标通过拉绳连接的拉绳位移传感器及时将绳长的变化数据采集下来，反馈给主支架正下方的信息处理面板，信息处理面板将绳长的变化数据进行收集，供其他性能参数计算时使用；再者，不因周围环境、被测物速度过快、角度变化等因素局限，本发明能够广泛应用在大部分测试机构上，实用性强。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明的结构图；
图3为本发明主支架立体图；
图4为本发明伸缩臂立体图；
图5为本发明双头球连接杆立体图；
图6为本发明可滑动基座1立体图；
图7为本发明可滑动基座2立体图；
图8为本发明主体折叠立体图；
图9为本发明靶标立体图；
图10为本发明工作原理图。
标号说明
1-主支架；2-伸缩臂；3-可滑动基座；4-拉绳位移传感器；5-靶标；6-拉绳；7-定位销；8-卡扣；9-阶梯状卡槽；10-滑轨；11-圆槽；12-球形槽；13-信息处理面板；14-双头球连接杆；15-扣具；16-伸缩杆；17-凹槽；18-内六角螺钉；19-指定位置；20-水平仪。
具体实施例
本发明揭示的一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试装置，参阅图1-10，包括主支架1、伸缩臂2、可滑动基座3、拉绳位移传感器4、靶标5、拉绳6和信息处理面板13。
如图2，主支架1分别连接三条伸缩臂2，主支架1和伸缩臂2之间通过双头球连接杆14连接，主支架1和伸缩臂2开设连接槽供双头球连接杆14连接，为了配合双头球连接杆14，所述主支架1和伸缩臂2下方开有圆槽11，在圆槽11末端开有球形槽12，圆槽11和球形槽12共同构成连接槽，用来放置双头球连接杆14。
如图3，在本优选的实施例中，主支架1连接端共有九个定位销7，每个连接端插置三个定位销7，一个定位销7设于连接端的正上方，另外两个定位销7分别设于连接端的两侧，对应地，每条伸缩臂2上也插置三个定位销7，对应的定位销7之间连接卡扣8，连接时可以保证主支架1和伸缩臂2很牢固的结合在一起，主支架1连接端设计为内倾的斜坡状，如果正上方的卡扣8松开，伸缩臂2在双头球连接杆14、两侧定位销7以及卡扣8的辅助下，伸缩臂2可以绕着主支架1斜坡状的连接端从水平向下旋转到竖直状态，如图9所示。
如果不使用测试装置，可以将可滑动基座3、拉绳位移传感器4、靶标5单独拆解下来，剩余的伸缩臂如同图9一样折叠起来，最后放置在存储盒里，十分便捷，方便收纳、携带，克服传统测试装置占地空间大的问题。
三条伸缩臂2上各安装一个可滑动基座3，伸缩臂2设有滑轨10和卡槽9；
可滑动基座3设有配合滑轨10的凹槽17使可滑动基座3在伸缩臂2上来回滑动，为了优化结构，可滑动基座3两侧为镂空状，供伸缩臂2插入，凹槽17形成在可滑动基座3内部两侧；
可滑动基座3上方设有上下活动的扣具15，可滑动基座3和扣具15之间设有伸缩杆16，伸缩臂2上的卡槽9呈阶梯状；当基座需要移动时，可移动基座3上方的伸缩杆16上升，将扣具15顶起，基座移动到所需位置以后，伸缩杆16带动扣具15下降，扣具15与伸缩臂2上的阶梯状卡槽9配合固定，此结构能将可滑动基座3和拉绳位移传感器4固定到所需位置，防止工作过程中出现滑移，影响最终测试精度。
需知，如图4，伸缩臂2具有伸缩功能，可根据实际需要进行调节。
可滑动基座3分为两种，两种形状大致相同，第二种可滑动基座区别第一种的就是下方可以安装三个拉绳位移传感器4，如图7。第一种可滑动基座3下方可以安装两个拉绳位移传感器4，如图6。
本发明其中两个可滑动基座为第一种可滑动基座，这两个可滑动基座上各安装两个拉绳位移传感器4，本发明另外一个可滑动基座为第二种可滑动基座，这个可滑动基座上安装三个拉绳位移传感器4。拉绳位移传感器4通过内六角螺钉18固定在可滑动基座3上。
拉绳位移传感器4通过拉绳6连接靶标5，靶标5连接在被测机构上；在本优选实施例中，所述靶标5设计为一块正三角形状的板，板上有三个指定位置19，将其中一个可滑动基座的三根拉绳6分别连接三个指定位置19，另外两个可滑动基座上的四根拉绳6按照2：1:1的比例分别连接在三个指定位置19，此结构用于参数计算。
被测机构运动过程中，带动靶标5运动，从而带动拉绳位移传感器4的绳长发生变化，与靶标5通过拉绳6连接的拉绳位移传感器4及时将绳长的变化数据采集下来。本发明能够随着被测机构移动，不因周围环境、被测物速度过快、角度变化等因素局限，广泛应用在大部分测试机构上，实用性强；
在主支架1正下方放置信息处理面板13，信息处理面板13连接拉绳位移传感器4，反馈给信息处理面板13，信息处理面板13将绳长的变化数据进行收集，供其他性能参数计算时使用。信息处理面板13主要还包括绳长的变化数据进行参数计算的功能。
所述主支架1正上方中心位置放置有水平仪20，通过观察水平仪20，可以在安装过程中对测试装置的位置进行调控，使测试装置处于水平位置。
一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试方法，如图10所示为测试方法原理图，该测试方法包括：
1)测试装置结构简化：设可滑动基座3的位置为ABC三点，构成三角形ABC，靶标5上有三个指定位置19，设三个指定位置19为DEF三点，构成三角形DEF，整体形状类似上下两个三角形，然后将其中一个可滑动基座3的三根拉绳6分别连接三个指定位置19，另外两个可滑动基座3上的四根拉绳6按照2：1:1的比例分别连接在三个指定位置19，设拉绳为线段，通过线段将ABC三点和DEF三点连接起来，即线段AE、AD、AF、BE、BF、CF、CD这七条线段的长度；
2)再简化：该结构可以再分割为三个三棱锥，即三棱锥F-ABC、三棱锥E-FAB、三棱锥D-FAC，以A点为坐标原点，Z轴垂直于三角形ABC所在平面向上，AC所在直线为Y轴方向，X轴方向为Z轴和Y轴的矢量叉积；
3)参数计算：三棱锥F-ABC中，三角形ABC三点坐标已知，设三条棱边的长分别为lFA、lFB、lFC，从几何关系可以建立如下方程：
由此可以得到F点的坐标，即xF、yF、zF三个值；同理，可以求出D、E两点的坐标，然后就可以求出三角形DEF中间点的坐标，即被测机构的运动位置；
将收集到的绳长变化数据重复按以上步骤计算，就可以得到三角形DEF中间点坐标的所有点集合，也就是被测机构的运动轨迹；
基于运动轨迹，再和时间进行换算，可以得到被测机构的运动速度。
本发明还可基于运动速度，再和时间进行换算，可以得到被测机构的运动加速度。
所述三角形DEF和三角形ABC的边长可以分别根据实际工作中指定位置19和可滑动基座3的位置确定，为本发明提供更多的灵活性。
以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
Claims (3)
1.一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试方法，其特征在于：该测试方法涉及一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试装置，该测试装置包括主支架、伸缩臂、可滑动基座、拉绳位移传感器、靶标、拉绳和信息处理面板，主支架分别通过双头球连接杆连接三条伸缩臂，三条伸缩臂上各安装一个可滑动基座，可滑动基座滑动固定在伸缩臂上，其中两个可滑动基座上各安装两个拉绳位移传感器，另外一个可滑动基座上安装三个拉绳位移传感器，拉绳位移传感器通过拉绳连接靶标，靶标连接在被测机构上，主支架连接端共有九个定位销，每个连接端插置三个定位销，一个定位销设于连接端的正上方，另外两个定位销分别设于连接端的两侧，对应地，每条伸缩臂上也插置三个定位销，对应的定位销之间连接卡扣，连接时主支架和伸缩臂牢固的水平结合在一起，主支架连接端设计为内倾的斜坡状，当正上方的卡扣松开时，伸缩臂在双头球连接杆、两侧定位销以及卡扣的辅助下，伸缩臂可以绕着主支架斜坡状的连接端从水平向下旋转到竖直状态，如果不使用，可以将可滑动基座、拉绳位移传感器、靶标单独拆解下来；主支架放置信息处理面板，信息处理面板连接拉绳位移传感器，信息处理面板将绳长的变化数据进行收集，基于绳长的变化数据，该测试方法包括：1)测试装置结构简化：设可滑动基座的位置为ABC三点，构成三角形ABC，靶标上有三个指定位置，设三个指定位置为DEF三点，构成三角形DEF，然后将将其中一个可滑动基座的三根拉绳分别连接三个指定位置，另外两个可滑动基座上的四根拉绳按照2：1:1的比例分别连接在三个指定位置，设拉绳为线段，通过线段将ABC三点和DEF三点连接起来，即线段AE、AD、AF、BE、BF、CF、CD这七条线段的长度；2)再简化：该结构可以再分割为三个三棱锥，即三棱锥F-ABC、三棱锥E-FAB、三棱锥D-FAC，以A点为坐标原点，Z轴垂直于三角形ABC所在平面向上，AC所在直线为Y轴方向，X轴方向为Z轴和Y轴的矢量叉积；3)参数计算：三棱锥F-ABC中，三角形ABC三点坐标已知，设三条棱边的长分别为lFA、lFB、lFC，从几何关系可以建立如下方程：
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2.如权利要求1所述的一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试方法，其特征在于：所述三角形DEF和三角形ABC的边长可以分别根据实际工作中指定位置和可滑动基座的位置确定。
3.如权利要求1所述的一种便携式刚柔复合的机构与机器人性能测试方法，其特征在于：所述运动速度再和时间进行换算，可以得到被测机构的运动加速度。
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