CN110926801A - 一种服务机器人小型关节综合性能测试机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种服务机器人小型关节综合性能测试机，属于精密测试技术领域。试验台满足机器人小型关节关键参数的综合性能测量，测量项目包括传动误差、动态回差、传动效率、反启动转矩。其机械结构主要包括机器人小型关节夹具、输出轴、刚性套筒、联轴器、输出端角度编码器轴承、输出端角度编码器轴承座、输出端角度编码器、输出端主轴、输出端扭矩传感器支架、输出端扭矩传感器、加载伺服电机支架、加载伺服电机。试验台还包括工控机、数据采集卡、电机控制器、驱动器、细分器、电力分析仪等。本发明填补了国内外服务机器人小型关节综合性能测试机的空白，性能可靠，测量重复性好，精度高。

Description

一种服务机器人小型关节综合性能测试机

技术领域

本发明涉及一种服务机器人小型关节综合性能测试装置，属于精密测试计量技术、精密仪器及机械传动领域。

背景技术

服务机器人小型关节是由驱动电机、减速器、位置检测元件、控制电路及外壳等所构成的伺服单元。机器人小型关节以其尺寸小，重量轻，可靠性高，扭矩大，抗冲击力大，集成度高等优势广泛的应用于服务型机器人中。随着机器人产业的不断发展，对自动化及精密化程度的要求越来越高，小型关节作为机器人的核心部件之一，运用在服务型机器人的关节部位，它的精度对服务型机器人至关重要。

机器人上应用的关节主要有小型关节和大型关节，最大输出转矩小于6N.m的关节即为小型关节，大于6N.m即为大型关节。小型关节的减速单元主要平行轴齿轮、行星齿轮、面齿轮等。服务型机器人对小型关节有传动比大、运动精度高、传动效率高、回差小等要求。

在机器人小型关节的研发和生产过程中，改进设计的合理性，检测其传动误差、动态回差、传动效率、反启动转矩就显得尤为重要。机器人小型关节的传动误差是指控制电路控制输入端转过一定的角度时，输出端实际旋转角度与理论旋转角度的差值，可以用来衡量机器人小型关节的传动精度以及运转平稳性。回差是指输入轴运动方向改变时，输出轴在转角上的滞后量。回差的存在会导致输入轴与输出轴在短时间内失去联系，造成输出的突然中断，从而造成运动传递关系的非线性，对整个系统的重复定位精度和动态性能有较大的影响。机器人小型关节的传动效率是指输出功率与输入功率的比值，传动效率曲线有助于机器人小型关节最佳工作点的确定。反启动转矩是指，向输出端施加转矩时，输入端开始旋转的一瞬间产生的转矩，影响反启动转矩的因素有很多，如机器人小型关节输出轴的位置和减速器的加工误差等。

目前国内对机器人用的小型关节研究较少，通常将小型关节的电机和传动装置分开研究，分别对其性能评价体系和测试技术进行分析，测量精度低，可靠性差。国外虽然有对机器人小型关节整体进行测试的测试机，但仅是针对质量特性中的某一个方面如刚度或扭矩输出密度进行测试，缺乏对小型关节各项性能指标进行测试的综合测试机，这对小型关节在机器人中的广泛应用较为不利。

发明内容：

针对目前机器人小型关节在综合性能测试上的空白，本发明提出了一种针对机器人小型关节综合性能的测量装置。该装置结合机、光、电等先进测控技术为一体，采用模块化设计并结合高精度传感器融合技术，重复精度高。测试方法参照相关国家最新标准，一次工装即可实现对不同尺寸及输出扭矩的机器人小型关节的综合性能测试。

本测试机可以对机器人小型关节进行传动误差、动态回差、传动效率以及反启动转矩等综合性能测试。

测试机的机械部分依次连接顺序为机器人小型关节装夹组件、输出端角度编码器组件、输出端扭矩传感器组件和加载伺服电机组件。机器人小型关节为测试机的输入组件。

所述装夹组件安装在能够进行一维移动的滑板20上，滑板20安装在测试机右端的一组直线导轨上1，能够沿直线导轨1在纵向上进行独立轴向运动，滑板20上设有锁紧固定装置。所述输出端角度编码器组件及输出端扭矩传感器组件固定在花岗岩基座19的水平面上，所述加载伺服电机组件固定在花岗岩基座19一侧垂直平面上。

所述装夹组件包括机器人小型关节3、机器人小型关节夹具2、机器人小型关节输出轴4和刚性套筒；所述输出端角度编码器组件包括第一联轴器5、输出端角度编码器轴承8、输出端角度编码器轴承座9、输出端角度编码器6和输出端主轴12；输出端扭矩传感器支架包括第二联轴器13、输出端扭矩传感器支架14和输出端扭矩传感器15；加载伺服电机组件包括第三联轴器16、加载伺服电机支架17和加载伺服电机18。

服务机器人小型关节综合性能测试机按下述方式连接，机器人小型关节输出轴4通过螺钉连接的方式固定到机器人小型关节3的输出端，机器人小型关节输出轴4通过第一联轴器5与输出端主轴12相连，输出端角度编码器6通过一组螺钉安装在输出端主轴12上，角度编码器轴承8支撑输出端主轴12，角度编码器轴承8安装在输出端角度编码器轴承座9上。加载伺服电机18安装在伺服电机支架17上，输出端扭矩传感器15安装在扭矩传感器支架14上，输出端扭矩传感器15两端分别通过第二联轴器13、第三联轴器16连接输出端主轴12和加载伺服电机18。

所述输出端主轴上设有均匀分布的角度编码器安装定位孔以及轴承座安装定位凹槽，轴承座两端设有左侧端压板7、右侧端压板10，一侧设有支座螺母11，便于识别安装定位位置，减小主轴跳动，大大提高了光栅的安装精度。

具体地，测试机所用地第一联轴器5、第二联轴器13均为双膜片式联轴器，第一联轴器5、第二联轴器13能避免各个组件输入端与输出端直接相连产生的额外力矩，提高角度编码器的测量精度，能补偿由于机器人小型关节输出轴加工、安装误差造成的轴向、径向误差，准确传递角度信号，提高传动精度。

具体地，输出端角度编码器采用双读数头结构；输出端加载方式采用伺服电机主动加载。

具体地，各个旋转部件均安装保护装置进行保护。

本发明可以取得如下有益效果：

1)被测机器人小型关节外形尺寸规格多，输出力矩范围广，通过定制不同尺寸的机器人小型关节输出轴可以满足多种型号的机器人小型关节测量。

2)本发明可以实现机器人小型关节在连续运转工况下的动态测量，为机器人小型关节的传动误差及动态回差性能检测开辟了道路。

3)本发明输出端负载精准可控，采用伺服电机自动加载技术，克服了传统的砝码加载或磁粉制动器加载方式，操作方便，加载精度高，提高测量效率。

4)本发明能够提高测量效率，机器人小型关节通过一次工装，能够同时测量传动误差、动态回差、传动效率和反启动转矩。

5)本发明测量精度高，装夹组件安装在滑板上可以进行一维滑动，装夹组件与输出端角度编码器组件可以自由连接、脱开，操作简单。选用高精度角度编码器和扭矩传感器进行数据采集，能够适应现场测量的要求。

附图说明：

图1为服务机器人小型关节综合性能测试机主视图。

图2为服务机器人小型关节综合性能测试机测量原理图。

图3为服务机器人小型关节综合性能测试机的机械结构总图(不带保护罩)。

图4为服务机器人小型关节综合性能测试机的机械结构总图(带保护罩)。

图中：

1.直线导轨； 2.机器人小型关节夹具； 3.机器人小型关节；

4.机器人小型关节输出轴； 5.第一联轴器； 6.输出端角度编码器；

7.左侧端压板； 8.输出端角度编码器轴承 9.角度编码器轴承座

10.右侧端压板； 11.支座螺母； 12.输出端主轴；

13.第二联轴器； 14.扭矩传感器支架； 15.输出端扭矩传感器；

16.第三联轴器； 17.伺服电机支架； 18.加载伺服电机；

19.花岗岩基座； 20.滑板； 21、22.细分器；

23.数据采集卡； 24.电力分析仪； 25.工控机；

26.控制卡； 27.驱动器；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

本发明的机械结构总图如图1所示，包括输入组件、输出组件以及基座。输入组件包括机器人小型关节3、机器人小型关节夹具2、机器人小型关节输出轴4和刚性套筒；输出组件包括第一联轴器5、输出端角度编码器轴承8、输出端角度编码器轴承座9、输出端角度编码器6、输出端主轴12、第二联轴器13、输出端扭矩传感器支架14、输出端扭矩传感器15、第三联轴器16、加载伺服电机支架17和加载伺服电机18。

本发明的测量原理如图2所示，可以实现机器人小型关节传动误差、动态回差、传动效率、反启动转矩的测量。

(a)传动误差测量时首先奖机器人小型关节3安装在机器人小型关节夹具上，通过定位套筒保证水平方向的同轴度，调整好装夹组件和输出端角度编码器组件之间的距离。工控机25控制机器人小型关节3和伺服电机的运动18，同时采集输入端角度、输入端电流及输入端电压、输出端角度编码器、输出端扭矩传感器信号。工控机25发送指令驱动机器人小型关节3转动，通过输出轴将动力传递到输出组件，通过信号采集端子采集机器人小型关节输入端编码器信号，通过数据采集卡23采集输出端角度编码器信号，同时送入工控机25进行数据处理，得到机器人小型关节的传动误差信息。测量带载传动误差时，工控机25通过控制器26控制驱动器27驱动加载伺服电机18转动，动力传递给输入端组件，通过数据采集卡23采集扭矩传感器信号，同时送入工控机25进行数据处理，得到机器人小型关节3的带载传动误差信息。

(b)动态回差测试时，上位机25控制机器人小型关节3正反向各转动一圈，通过信号采集端子采集机器人小型关节3输入端编码器信号，通过数据采集卡23采集输出端角度编码器信号，同时送入工控机25进行数据处理，得到机器人小型关节3的动态回差信息。

(c)传动效率测试时，上位机25发送指令到机器人小型关节控制器驱动机器人小型关节3以最高稳定转速转动，通过控制器26控制驱动器27驱动输出端加载电机18以非常小的梯度反向匀速加载，直到机器人小型关节3停止转动。工控机25通过数据采集卡23采集输出端扭矩传器、角度编码器信号，通过电力分析仪24采集输入端机器人小型关节电流、电压信号，送入工控机进行数据处理，绘制出机器人小型关节综合效率曲线。

(d)反启动转矩测试时，通过上位机25通过控制器26控制驱动器27驱动加载电机18以非常小的梯度匀速加载，带动机器人小型关节3运动，当输出端伺服电机18力矩加载到一定程度时(克服机器人小型关节静摩擦力)，机器人小型关节3将迅速以较快的速度转动。工控机25同时采集输出端扭矩传感器、角度编码器信号，送入工控机25进行数据处理，绘制出反启动曲线。

按照上述实施例，便可很好地实施本发明所述的测试项，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出一些无实质性的改动或润色，所采取用的技术方案的实质仍与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种服务机器人小型关节综合性能测试机，其特征在于，包括输入组件、输出组件以及基座；所述输入组件包括机器人小型关节、机器人小型关节夹具、机器人小型关节输出轴和刚性套筒；输出组件包括输出端角度编码器轴承、输出端角度编码器轴承座、输出端角度编码器、输出端主轴、输出端扭矩传感器支架、输出端扭矩传感器、加载伺服电机支架和加载伺服电机；基座上设有直线导轨，用于安装输入组件；基座上还安装有输出端角度编码器轴承座、输出端扭矩传感器支架、加载伺服电机支架；

所述机器人小型关节通过两边夹紧的方式固定在机器人小型关节夹具上；所述装夹组件安装在能够进行一维移动的滑板上，滑板安装在测试机右端的一组直线导轨上，能够沿直线导轨在纵向上进行独立轴向运动，滑板上设有锁紧固定装置；

服务机器人小型关节综合性能测试机按下述方式连接，机器人小型关节输出轴通过螺钉连接的方式固定到机器人小型关节的输出端，机器人小型关节输出轴通过第一联轴器与输出端主轴相连，输出端角度编码器通过一组螺钉安装在输出端主轴上，角度编码器轴承支撑输出端主轴，角度编码器轴承安装在输出端角度编码器轴承座上；加载伺服电机安装在伺服电机支架上，输出端扭矩传感器安装在扭矩传感器支架上，输出端扭矩传感器两端分别通过第二联轴器、第三联轴器连接输出端主轴和加载伺服电机。

2.根据权利要求1所述的一种服务机器人小型关节综合性能测试机，其特征在于，测试机通过一次性机器人小型关节工装，实现被测机器人小型关节所有关键指标的综合性能测量。

3.根据权利要求1所述的一种服务机器人小型关节综合性能测试机，其特征在于，被测机器人小型关节通过定制的不同直径的输出轴实现多种型号的机器人小型关节测量。

4.根据权利要求1所述的一种服务机器人小型关节综合性能测试机，其特征在于，输出端主轴上设有均匀分布的角度编码器安装定位孔以及轴承座安装定位凹槽，轴承座两端设有端压板，一侧设有支座螺母。

5.根据权利要求1所述的一种服务机器人小型关节综合性能测试机，其特征在于，本测试机采用卧式结构，输入、输出组件均采用水平布置的方式。

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