CN206161299U - 一种高精度空间机械臂关节性能参数标定平台 - Google Patents

Abstract

一种高精度空间机械臂关节性能参数标定平台，机械臂关节的输出端通过法兰固连输出轴，光电编码器(1)、扭矩传感器(2)、涡轮蜗杆加载机构(3)、磁粉制动器(4)通过支撑工装(6)实现沿机械臂关节的轴向安装固定，光电编码器(1)内圈与法兰或者输出轴连接，外圈固连在支撑工装上，光电编码器(1)用于测量机械臂关节的转动角度；双膜片联轴器(5)将输出轴与扭矩传感器(2)进行连接，用于测量标定时施加的扭矩；当需要手动提供变化扭转力矩负载加载时，将蜗轮蜗杆加载机构(3)通过离合器与扭矩传感器连接；当需要提供恒定的扭转力矩时，将磁粉制动器(4)与扭矩传感器连接。

Description

一种高精度空间机械臂关节性能参数标定平台

技术领域

本实用新型涉及一种高精度空间机械臂关节性能参数标定平台，具体说涉及一种用于空间机械臂关节定位精度、扭转刚度、阻尼等性能参数测量的关节标定平台。

背景技术

针对空间机械臂关节精度指标要求，搭建高精度关节测试实验平台，对机械臂关节速度、扭矩、定位精度、输出回差、传动比、扭转刚度及关节阻尼等性能进行实验测试，并规范化关节性能指标测试流程，为机械臂关节结构设计、关节控制参数优化、关节动力学仿真模型以及关节半实物仿真环境搭建提供有力数据支撑。

空间机械臂关节标定平台可为空间机械臂关节及整臂精度性能测试提供有效测量手段，在机械臂关节和整臂动力学仿真模型建立过程中，提供有效的基础数据支撑，为关节控制器控制参数优化和机械臂系统误差补偿提供有效依据，为机械臂运动控制器设计提供有效依据，探索一种完善的多自由度空间智能机构设计、仿真、验证规范。

在空间机械臂动力学建模和末端振动抑制研究中，基于柔性关节阻尼参数、多刚体动力学理论以及有限元方法建立的刚柔耦合多体动力学空间机械臂模型被普遍采用，因此，关节阻尼等参数的精确测试对提高机械臂整体性能参数及振动抑制研究具有重要意义。

发明内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度空间机械臂关节阻尼标定平台。

本实用新型的技术解决方案是：一种高精度空间机械臂关节性能参数标定平台，包括光电编码器、扭矩传感器、蜗轮蜗杆加载机构、磁粉制动器、双膜片联轴器以及支撑工装；机械臂关节的输出端通过法兰固连输出轴，光电编码器、扭矩传感器、涡轮蜗杆加载机构、磁粉制动器通过支撑工装实现沿机械臂关节的轴向安装固定，光电编码器内圈与法兰或者输出轴连接，外圈固连在支撑工装上，光电编码器用于测量机械臂关节的转动角度；双膜片联轴器将输出轴与扭矩传感器进行连接，用于测量标定时施加的扭矩；当需要手动提供变化扭转力矩负载加载时，将蜗轮蜗杆加载机构通过离合器与扭矩传感器连接；当需要提供恒定的扭转力矩时，将磁粉制动器与扭矩传感器连接。

当需要手动提供变化扭转力矩负载加载时，在离合器和蜗轮蜗杆加载机构之间安装弹簧，蜗轮的输出通过弹簧加载在离合器上。

所述的蜗轮蜗杆加载机构包括蜗轮、蜗杆；蜗杆竖直方向固定在支撑工装上，蜗轮轴向与机械臂关节轴向重合，蜗轮与蜗杆的轴交角为90°；蜗杆上安装操作手柄，通过操作手柄由蜗杆带动蜗轮转动。

蜗杆的展开螺距角小于蜗轮蜗杆的接触摩擦角。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

(1)设计了一种可用于关节阻尼特性测试的标定测试平台，通过平台可以对机械臂关节进行变负载和恒定负载加载，并实现关节扭矩和转速的高精度测量。

(2)利用功率法对关节阻尼特性进行测定，在关节空载匀速转动情况下，关节电机输入能量完全由关节的电机输入的能量完全由关节阻尼耗散，本实用新型通过稳定电机转速和计算功率损耗的方法实现对关节动态阻尼特性的测量。

(3)设计了一套用于扭矩平稳加载的蜗轮蜗杆弹簧加载机构，使得关机扭矩平稳加载，消除关节扭矩加载过程中的振动和突变。

附图说明

图1为本实用新型平台示意图；

图2为本实用新型弹簧加载示意图；

图3为本实用新型蜗轮蜗杆加载机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本方案做进一步详细说明。如图1所示，一种高精度空间机械臂关节阻尼标定平台，包括光电编码器1、扭矩传感器2、蜗轮蜗杆加载机构3、磁粉制动器4、双膜片联轴器5以及支撑工装6；

机械臂关节的输出端通过法兰固连输出轴，光电编码器1、扭矩传感器2、涡轮蜗杆加载机构3、磁粉制动器4通过支撑工装6实现沿机械臂关节的轴向安装固定，光电编码器1内圈与法兰或者输出轴连接，外圈固连在支撑工装上，光电编码器1用于测量机械臂关节的转动角度；双膜片联轴器5将输出轴与扭矩传感器2进行连接，用于测量标定时施加的扭矩；当需要手动提供变化扭转力矩负载加载时，将蜗轮蜗杆加载机构3通过离合器8与扭矩传感器连接；当需要提供恒定的扭转力矩时，将磁粉制动器4与扭矩传感器连接。

当需要手动提供变化扭转力矩负载加载时，为了使手动通过蜗轮蜗杆机载机构加载的扭矩输出平稳，如图2所示，在离合器和蜗轮蜗杆加载机构3之间安装弹簧7，蜗轮的输出通过弹簧7加载在离合器上。

如图3所示，蜗轮蜗杆加载机构3包括蜗轮31、蜗杆32；蜗杆32竖直方向固定在支撑工装6上，蜗轮31轴向与机械臂关节轴向重合，蜗轮与蜗杆的轴交角为90°；蜗杆32上安装操作手柄，通过操作手柄由蜗杆32带动蜗轮31转动。为了保证变化负载加载过程中，扭转力矩能稳定在某一测量范围内的确定扭转力矩值，使蜗杆32的展开螺距角小于蜗轮蜗杆的接触摩擦角。

通过光电码盘可以对关节定位精度、关节速度、关节阻尼特性的准确标定和测量，通过扭矩传感器可以实现关节反转扭矩的测量。

关节标定测量时，采用标定平台关节输出端安装光电码盘，以测量其输出转角，利用蜗轮蜗杆对关节施加转矩。利用扭矩传感器测得转矩值M，利用高精度码盘测量关节在转矩作用下的转角A，则机械臂关节转动刚度为M/A。

机械臂关节具有旋转变压器，可以准确地测量关节电机的输入转角；采用标定平台光电码盘准确地测量关节的输出转角。控制机械臂关节电机向一个方向旋转，达到稳定旋转状态后，可以认为关节输出回差在机械臂关节传动链的一侧边缘被压紧。然后让关节电机立即反转，由于机械臂关节输出回差的存在，机械臂关节电机无法立即带动关节输出端，关节输出转动将会出现一段停滞。这段停滞所反映的就是机械臂关节的输出回差。当关节输出回差在另一侧边缘被压紧时，关节的输出端会再次被关节电机的转动所带动。

通过标定平台光电码盘对关节转动实际角度的测量与名义转动角度对比，可以计算关节传动比：

按照如下方法计算关节的输出回差：

d＝φ/μr

其中，d为关节输出回差，φ为关节输出转动停滞时段内关节电机转动的角度，μr为关节传动比。

这种标定关节输出回差的方法对于大传动比的关节是非常准确的。原因有二：一是因为大传动比导致填补输出回差所需的关节电机转角较大，测量误差就会随之减小；二是因为大传动比导致关节输出端旋转非常缓慢，充分抑制了关节输出端的惯性对于回差标定的影响。待标定关节的传动比超过了3000，属于传动比非常大的关节。同样，标定过程需要多次重复进行，才能得到真实可信的结果。可以利用3σ原理进行标定。

本说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种高精度空间机械臂关节性能参数标定平台，其特征在于：包括光电编码器(1)、扭矩传感器(2)、蜗轮蜗杆加载机构(3)、磁粉制动器(4)、双膜片联轴器(5)以及支撑工装(6)；

机械臂关节的输出端通过法兰固连输出轴，光电编码器(1)、扭矩传感器(2)、涡轮蜗杆加载机构(3)、磁粉制动器(4)通过支撑工装(6)实现沿机械臂关节的轴向安装固定，光电编码器(1)内圈与法兰或者输出轴连接，外圈固连在支撑工装上，光电编码器(1)用于测量机械臂关节的转动角度；双膜片联轴器(5)将输出轴与扭矩传感器(2)进行连接，用于测量标定时施加的扭矩；当需要手动提供变化扭转力矩负载加载时，将蜗轮蜗杆加载机构(3)通过离合器与扭矩传感器连接；当需要提供恒定的扭转力矩时，将磁粉制动器(4)与扭矩传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度空间机械臂关节性能参数标定平台，其特征在于：当需要手动提供变化扭转力矩负载加载时，在离合器和蜗轮蜗杆加载机构(3)之间安装弹簧(7)，蜗轮的输出通过弹簧(7)加载在离合器上。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度空间机械臂关节性能参数标定平台，其特征在于：所述的蜗轮蜗杆加载机构(3)包括蜗轮(31)、蜗杆(32)；蜗杆(32)竖直方向固定在支撑工装(6)上，蜗轮(31)轴向与机械臂关节轴向重合，蜗轮与蜗杆的轴交角为90°；蜗杆(32)上安装操作手柄，通过操作手柄由蜗杆(32)带动蜗轮(31)转动。

4.根据权利要求3所述的一种高精度空间机械臂关节性能参数标定平台，其特征在于：蜗杆(32)的展开螺距角小于蜗轮蜗杆的接触摩擦角。