CN113916686A - 一种球铰刚度测试装置及其对球铰刚度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球铰刚度测试装置及其对球铰刚度的测试方法。球铰的刚度测量较困难。本发明的球铰压紧机构包括第一圆环、导柱、第二圆环、第一万向球、悬伸杆和第二万向球；扭矩位移测试机构包括正交架、全向轮、第一锥齿轮轴、第二锥齿轮轴、动态扭矩传感器、平衡轴和步进电机。本发明采用三个扭矩位移测试机构的动态扭矩传感器测量输出球铰绕三个全向轮轴线方向转动的扭矩，将三个转动方向上的扭矩对角度进行求导，得到输出球铰绕三个全向轮轴线转动方向上的转动刚度，从而获得输出球铰任意运动轨迹上的刚度变化曲线，实现球铰机构的刚度测试；三个扭矩位移测试机构的正交布置的三个全向轮可带动输出球铰实现三维空间任意角度的转动。

Description

一种球铰刚度测试装置及其对球铰刚度的测试方法

技术领域

本发明涉及刚度测试装置，具体涉及一种球铰刚度测试装置及其对球铰刚度的测试方法。

背景技术

在运动副中，有移动副、转动副、圆柱副、球铰副等等，刚度是使物体产生单位变形所需的外力值，刚度与物体的材料性质、几何形状、边界支持情况以及外力作用形式有关。而运动副的刚度表达也为单位变形所需的外力值。在移动副和转动副中，刚度较为容易获得，因为运动的形式分别为移动和转动，而球铰包括三个自由度，运动形式不固定，所以虽然球铰在关节机器人、传动接头中应用广泛，但是球铰的刚度表达比较困难，同时刚度测量也比较困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中球铰刚度较难测定的问题，提出一种可靠性高、测试范围广、避免打滑的球铰刚度测试装置及其对球铰刚度的测试方法。

本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一种球铰刚度测试装置，包括机架、球铰压紧机构和扭矩位移测试机构；所述的扭矩位移测试机构位于球铰压紧机构下方；所述的球铰压紧机构包括第一圆环、导柱、第二圆环、第一万向球、悬伸杆和第二万向球；所述第一圆环的顶面固定有多根导柱，竖直设置的导柱与机架构成滑动副，且导柱上套置有第一弹簧；所述第一弹簧的两端分别由机架和第一圆环限位；第一圆环的底面设有沿周向均布的多个第一万向球；所有第一万向球的外壳均与第一圆环的底面固定；所述第二圆环的顶面开设有环形沟槽，所有第一万向球均与环形沟槽构成滚动摩擦副；三根悬伸杆沿第二圆环的周向均布，外端均与第二圆环的底面固定，内端分别与一个第二万向球的外壳固定；所述悬伸杆的内端朝下倾斜设置。

所述的扭矩位移测试机构包括正交架、全向轮、第一锥齿轮轴、第二锥齿轮轴、动态扭矩传感器、平衡轴和步进电机；所述的正交架固定在机架上，所述的第一锥齿轮轴通过轴承支承在轴承座上；所述的全向轮与第一锥齿轮轴固定；动态扭矩传感器的外壳固定在机架上；所述的第二锥齿轮轴与动态扭矩传感器的一端通过联轴器连接，平衡轴的一端与动态扭矩传感器的另一端通过联轴器连接；步进电机的输出轴与平衡轴的另一端通过联轴器连接；第二锥齿轮轴和平衡轴均与机架构成转动副；第二锥齿轮轴上的锥齿轮与第一锥齿轮轴上的锥齿轮啮合，且啮合传动比为1:1；步进电机的底座固定在机架上；所述的步进电机由控制器控制；所述的扭矩位移测试机构设有沿周向均布的三个，所述的正交架包括相互正交的三根支柱，每个扭矩位移测试机构中支承第一锥齿轮轴的轴承座固定在正交架的对应一根支柱上；三个扭矩位移测试机构的全向轮相互正交，且三个扭矩位移测试机构的全向轮垂直于轴线的中心对称面交于一点。

优选地，还包括三个弹性元件机构；所述的弹性元件机构包括刚性绳组件、导向滚轮和预紧滚轮；所述的导向滚轮铰接在机架上；所述的预紧滚轮与连接板铰接，连接板固定在机架侧部；所述的刚性绳组件由第一绳段、第二弹簧、第二绳段、S型拉力传感器和第三绳段组成；所述第一绳段的一端与第二绳段的一端通过第二弹簧连接，第二绳段的另一端与和第三绳段的一端通过S型拉力传感器连接；第三绳段的另一端与预紧滚轮固定；第一绳段绕过导向滚轮；所述的预紧滚轮上固定有棘轮，连接板上铰接有卡爪，卡爪与棘轮啮合，且卡爪与连接板通过扭簧连接。

优选地，所述的机架上固定设有上安装台和下安装台；球铰压紧机构的导柱与上安装台构成滑动副，第一弹簧的顶端由上安装台限位；扭矩位移测试机构的正交架、动态扭矩传感器的外壳和步进电机的底座均固定在下安装台上，第二锥齿轮轴和平衡轴均与下安装台构成转动副。

该球铰刚度测试装置对球铰刚度的测试方法，具体如下：

将球铰机构的输出球铰从球铰机构上拆卸下来，将球铰机构的座体固定在机架上；然后，将球铰机构的输出球铰置于球铰压紧机构的三个第二万向球以及三个扭矩位移测试机构的全向轮之间，输出球铰的转轴部分穿过球铰压紧机构重新装配到球铰机构上；此时，输出球铰的球体部分在球铰压紧机构的第一弹簧弹力作用下顶部与三个第二万向球均接触，底部与三个扭矩位移测试机构的全向轮均接触；若球铰机构为前置动力式，则将球铰机构的三个动力输入件与三个弹性元件机构分别连接，实现柔性球铰机构的刚度测试；其中，弹性元件机构包括刚性绳组件、导向滚轮和预紧滚轮；导向滚轮铰接在机架上；预紧滚轮与连接板铰接，连接板固定在机架侧部；刚性绳组件由第一绳段、第二弹簧、第二绳段、S型拉力传感器和第三绳段组成；第一绳段的一端与第二绳段的一端通过第二弹簧连接，第二绳段的另一端与和第三绳段的一端通过S型拉力传感器连接；第三绳段的另一端与预紧滚轮固定；第一绳段绕过导向滚轮；预紧滚轮上固定有棘轮，连接板上铰接有卡爪，卡爪与棘轮啮合，且卡爪与连接板通过扭簧连接；三个弹性元件机构的第一绳段另一端与球铰机构的三个动力输入件分别固定；接着，控制三个扭矩位移测试机构的步进电机的转速和转向，驱动三个全向轮带动输出球铰运动，输出球铰的阻力矩经三个全向轮传递到三个扭矩位移测试机构的步进电机，实现输出球铰平衡，三个扭矩位移测试机构的动态扭矩传感器测量输出球铰绕三个全向轮轴线方向转动的扭矩，将三个转动方向上的扭矩对角度进行求导，得到输出球铰绕三个全向轮轴线转动方向上的转动刚度，从而获得输出球铰任意运动轨迹上的刚度变化曲线，实现球铰机构的刚度测试；其中，步进电机依次经平衡轴、动态扭矩传感器、第二锥齿轮轴和第一锥齿轮轴带动全向轮转动，输出球铰的阻力矩依次经全向轮、第一锥齿轮轴、第二锥齿轮轴、动态扭矩传感器和平衡轴传递到步进电机。

优选地，若球铰机构为前置动力式，则三个扭矩位移测试机构的步进电机启动前，先通过三个弹性元件机构的预紧滚轮调整各卡爪在对应棘轮上的位置，从而调整三个弹性元件机构的第二弹簧预紧力，并保证三个弹性元件机构的第二弹簧预紧力相同。

优选地，若球铰机构为前置动力式，则球铰机构的三个动力输入件在随输出球铰运动过程中，带动三个弹性元件机构的刚性绳组件伸缩，刚性绳组件的S型拉力传感器测量输出球铰运动过程中第二弹簧的弹力，得到球铰机构的三个动力输入件所受弹力变化曲线，实现柔性球铰机构的刚度测试。

优选地，当三个扭矩位移测试机构的步进电机驱动三个全向轮等速等向转动时，输出球铰绕竖直方向转动，获得的扭矩呈线性变化，求导获得的刚度恒定；当其中一个全向轮不动，另外两个全向轮保持等速反向转动时，输出球铰绕水平面的某一根轴线转动。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明采用三个扭矩位移测试机构的动态扭矩传感器测量输出球铰绕正交布置的三个全向轮轴线方向转动的扭矩，将三个转动方向上的扭矩对角度进行求导，得到输出球铰绕三个全向轮轴线转动方向上的转动刚度，从而获得输出球铰任意运动轨迹上的刚度变化曲线，实现球铰机构的刚度测试；其中，三个扭矩位移测试机构的正交布置的三个全向轮可以带动输出球铰实现三维空间任意角度的转动，全向轮的外周设置有腰鼓形滚轮，可以抵消不沿全向轮切线方向的力，以获得输出球铰在三个正交平面的扭矩大小，避免耦合影响。

2.本发明的球铰压紧机构将球铰机构的输出球铰压紧在三个扭矩位移测试机构的全向轮上，能够避免输出球铰和全向轮之间发生打滑现象，保证扭矩测试的可靠性，同时第一圆环和第二圆环之间通过第一万向球连接，这种连接方式能够保证两个圆环之间相对转动，保证悬伸杆不与球铰机构的运动发生干涉，能够测量更大角度范围内的球铰机构刚度值。

3.针对前置动力式球铰机构，本发明的三个弹性元件机构能测量球铰机构的三个动力输入件所受弹力，实现柔性球铰机构的刚度测试。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中球铰压紧机构的结构示意图。

图3为本发明中扭矩位移测试机构的结构示意图。

图4为本发明中三个全向轮与正交架的装配示意图。

图5为本发明中预紧滚轮、棘轮、卡爪和连接板的装配示意图。

图6为前置动力式球铰机构的结构示意图。

图7为动力置于各个关节位置处的球铰机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种球铰刚度测试装置，包括机架1、球铰压紧机构4和扭矩位移测试机构5；扭矩位移测试机构5位于球铰压紧机构4下方；如图2所示，球铰压紧机构4包括第一圆环40、导柱41、第二圆环42、第一万向球43、悬伸杆44和第二万向球45；第一圆环40的顶面固定有多根导柱41，竖直设置的导柱41与机架1构成滑动副，且导柱41上套置有第一弹簧；第一弹簧的两端分别由机架和第一圆环40限位；第一圆环40的底面设有沿周向均布的多个第一万向球43；所有第一万向球43的外壳均与第一圆环40的底面固定；第二圆环42的顶面开设有环形沟槽421，所有第一万向球43均与环形沟槽421构成滚动摩擦副；三根悬伸杆44沿第二圆环42的周向均布，外端均与第二圆环42的底面固定，内端分别与一个第二万向球45的外壳固定；悬伸杆44的内端朝下倾斜设置。

如图3和图4所示，扭矩位移测试机构5包括正交架50、全向轮51、第一锥齿轮轴52、第二锥齿轮轴53、动态扭矩传感器54、平衡轴55和步进电机56；正交架50固定在机架上，第一锥齿轮轴52通过轴承支承在轴承座上；全向轮51与第一锥齿轮轴52固定；动态扭矩传感器54的外壳固定在机架上；第二锥齿轮轴53与动态扭矩传感器54的一端通过联轴器连接，平衡轴55的一端与动态扭矩传感器54的另一端通过联轴器连接；步进电机56的输出轴与平衡轴55的另一端通过联轴器连接；第二锥齿轮轴53和平衡轴55均与机架构成转动副；第二锥齿轮轴53上的锥齿轮与第一锥齿轮轴52上的锥齿轮啮合，且啮合传动比为1:1；步进电机56的底座固定在机架上；步进电机56由控制器控制，动态扭矩传感器54的信号输出端接控制器，控制器接上位机；扭矩位移测试机构5设有沿周向均布的三个，正交架50包括相互正交的三根支柱，每个扭矩位移测试机构5中支承第一锥齿轮轴52的轴承座固定在正交架50的对应一根支柱上；三个扭矩位移测试机构5的全向轮51相互正交，且三个扭矩位移测试机构5的全向轮51垂直于轴线的中心对称面交于一点。

作为一个优选实施例，如图1和图5所示，该球铰刚度测试装置还包括三个弹性元件机构3；弹性元件机构3包括刚性绳组件、导向滚轮32和预紧滚轮35；导向滚轮32铰接在机架1上；预紧滚轮35与连接板353铰接，连接板353固定在机架1侧部；刚性绳组件由第一绳段31、第二弹簧33、第二绳段、S型拉力传感器34和第三绳段组成；第一绳段31的一端与第二绳段的一端通过第二弹簧33连接，第二绳段的另一端与和第三绳段的一端通过S型拉力传感器34连接；第三绳段的另一端与预紧滚轮35固定；第一绳段31绕过导向滚轮32；预紧滚轮35上固定有棘轮351，连接板353上铰接有卡爪352，卡爪352与棘轮351啮合，且卡爪352与连接板353通过扭簧连接。其中，S型拉力传感器34的信号输出端接控制器。

作为一个优选实施例，如图1所示，机架1上固定设有上安装台11和下安装台12；球铰压紧机构4的导柱41与上安装台11构成滑动副，第一弹簧的顶端由上安装台11限位；扭矩位移测试机构5的正交架50、动态扭矩传感器54的外壳和步进电机56的底座均固定在下安装台12上，第二锥齿轮轴53和平衡轴55均与下安装台12构成转动副。

该球铰刚度测试装置对球铰刚度的测试方法，具体如下：

将球铰机构2的输出球铰25从球铰机构2上拆卸下来，将球铰机构2的座体固定在机架1上；然后，将球铰机构2的输出球铰25置于球铰压紧机构4的三个第二万向球45以及三个扭矩位移测试机构5的全向轮51之间，输出球铰25的转轴部分穿过球铰压紧机构4重新装配到球铰机构2上；此时，输出球铰25的球体部分在球铰压紧机构4的第一弹簧弹力作用下顶部与三个第二万向球45均接触，底部与三个扭矩位移测试机构5的全向轮51均接触；若球铰机构2为前置动力式，则将球铰机构2的三个动力输入件与三个弹性元件机构3分别连接，实现柔性球铰机构的刚度测试；其中，弹性元件机构3包括刚性绳组件、导向滚轮32和预紧滚轮35；导向滚轮32铰接在机架1上；预紧滚轮35与连接板353铰接，连接板353固定在机架1侧部；刚性绳组件由第一绳段31、第二弹簧33、第二绳段、S型拉力传感器34和第三绳段组成；第一绳段31的一端与第二绳段的一端通过第二弹簧33连接，第二绳段的另一端与和第三绳段的一端通过S型拉力传感器34连接；第三绳段的另一端与预紧滚轮35固定；第一绳段31绕过导向滚轮32；预紧滚轮35上固定有棘轮351，连接板353上铰接有卡爪352，卡爪352与棘轮351啮合，且卡爪352与连接板353通过扭簧连接；三个弹性元件机构3的第一绳段31另一端与球铰机构2的三个动力输入件分别固定；接着，控制三个扭矩位移测试机构5的步进电机56的转速和转向，驱动三个全向轮51带动输出球铰运动，输出球铰的阻力矩经三个全向轮51传递到三个扭矩位移测试机构5的步进电机56，实现输出球铰平衡，三个扭矩位移测试机构5的动态扭矩传感器54测量输出球铰绕三个全向轮51轴线方向转动的扭矩，将三个转动方向上的扭矩对角度进行求导，得到输出球铰绕三个全向轮51轴线转动方向上的转动刚度，从而获得输出球铰任意运动轨迹上的刚度变化曲线，实现球铰机构2的刚度测试；其中，步进电机56依次经平衡轴55、动态扭矩传感器54、第二锥齿轮轴53和第一锥齿轮轴52带动全向轮51转动，输出球铰的阻力矩依次经全向轮51、第一锥齿轮轴52、第二锥齿轮轴53、动态扭矩传感器54和平衡轴55传递到步进电机56。

作为一个优选实施例，若球铰机构2为前置动力式，则三个扭矩位移测试机构5的步进电机56启动前，先通过三个弹性元件机构3的预紧滚轮35调整各卡爪352在对应棘轮351上的位置，从而调整三个弹性元件机构3的第二弹簧33预紧力，并保证三个弹性元件机构3的第二弹簧33预紧力相同。

作为一个优选实施例，若球铰机构2为前置动力式，则球铰机构2的三个动力输入件在随输出球铰运动过程中，带动三个弹性元件机构3的刚性绳组件伸缩，刚性绳组件的S型拉力传感器34测量输出球铰运动过程中第二弹簧33的弹力，得到球铰机构2的三个动力输入件所受弹力变化曲线，实现柔性球铰机构(球铰机构2的三个动力输入件上安装扭簧或拉簧即变为柔性球铰机构)的刚度测试。

作为一个优选实施例，当三个扭矩位移测试机构5的步进电机56驱动三个全向轮51等速等向转动时，输出球铰绕竖直方向转动，获得的扭矩呈线性变化，求导获得的刚度恒定；当其中一个全向轮不动，另外两个全向轮保持等速反向转动时，输出球铰绕水平面的某一根轴线转动。

其中，如图6所示，前置动力式球铰机构包括座体、第一输入轴21、第二输入轴22、第三输入轴23、行星架二24、输出球铰25、传动齿轮26和传动轮系27；第一输入轴21、第二输入轴22和第三输入轴23为三个动力输入件，三个弹性元件机构3的第一绳段31另一端分别与第一输入轴21、第二输入轴22和第三输入轴23固定；第三输入轴23套在第二输入轴22外，第二输入轴22套在第一输入轴21外，且第一输入轴21、第二输入轴22和第三输入轴23均与机架构成转动副；第一输入轴21和第二输入轴22均为齿轮轴；行星架一与第三输入轴23固定；行星架二24与行星架一构成转动副；行星架二24上固定有固定齿轮；传动齿轮26与行星架一构成转动副，并同时与第一输入轴21上的轮齿和固定齿轮啮合；输出球铰25包括一体成型的球体部分和转轴部分；转轴部分铰接在行星架二24上，转轴部分为齿轮轴，转轴部分上的轮齿与第二输入轴22上的轮齿通过传动轮系27连接；第三输入轴23的中心轴线、固定齿轮的中心轴线以及输出球铰25的转轴部分中心轴线交于一点，交点与输出球铰25的球心重合。其中，传动轮系27包括一级中间齿轮、一级行星齿轮、二级太阳齿轮和二级中间齿轮；一级中间齿轮与行星架一构成转动副，且同时与第二输入轴22上的轮齿和一级行星齿轮啮合；一级行星齿轮和二级太阳齿轮均固定在行星轴上，行星轴与行星架一构成转动副；二级中间齿轮与行星架二24构成转动副，且同时与二级太阳齿轮和输出球铰25的转轴部分上轮齿啮合。前置动力式球铰机构的工作原理如下：第三输入轴23带动行星架一转动；第一输入轴21转动，通过传动齿轮26带动行星架二24绕行星架一转动；第二输入轴22转动，通过传动轮系27带动输出球铰25转动；第一输入轴21、第二输入轴22和第三输入轴23的转动实现输出球铰25的合成运动。

其中，如图7所示，普通球铰机构(动力置于各个关节位置处)包括第一轮毂电机、第一转臂、第二轮毂电机、第二转臂、第三轮毂电机和输出球铰25；第一转臂的一端由第一轮毂电机驱动；第二转臂的一端与第一转臂的另一端铰接，并由第二轮毂电机驱动；输出球铰25包括一体成型的球体部分和转轴部分；转轴部分与第二转臂的另一端铰接，并由第三轮毂电机驱动。

Claims (7)

1.一种球铰刚度测试装置，包括机架、球铰压紧机构和扭矩位移测试机构，其特征在于：所述的扭矩位移测试机构位于球铰压紧机构下方；所述的球铰压紧机构包括第一圆环、导柱、第二圆环、第一万向球、悬伸杆和第二万向球；所述第一圆环的顶面固定有多根导柱，竖直设置的导柱与机架构成滑动副，且导柱上套置有第一弹簧；所述第一弹簧的两端分别由机架和第一圆环限位；第一圆环的底面设有沿周向均布的多个第一万向球；所有第一万向球的外壳均与第一圆环的底面固定；所述第二圆环的顶面开设有环形沟槽，所有第一万向球均与环形沟槽构成滚动摩擦副；三根悬伸杆沿第二圆环的周向均布，外端均与第二圆环的底面固定，内端分别与一个第二万向球的外壳固定；所述悬伸杆的内端朝下倾斜设置；

所述的扭矩位移测试机构包括正交架、全向轮、第一锥齿轮轴、第二锥齿轮轴、动态扭矩传感器、平衡轴和步进电机；所述的正交架固定在机架上，所述的第一锥齿轮轴通过轴承支承在轴承座上；所述的全向轮与第一锥齿轮轴固定；动态扭矩传感器的外壳固定在机架上；所述的第二锥齿轮轴与动态扭矩传感器的一端通过联轴器连接，平衡轴的一端与动态扭矩传感器的另一端通过联轴器连接；步进电机的输出轴与平衡轴的另一端通过联轴器连接；第二锥齿轮轴和平衡轴均与机架构成转动副；第二锥齿轮轴上的锥齿轮与第一锥齿轮轴上的锥齿轮啮合，且啮合传动比为1:1；步进电机的底座固定在机架上；所述的步进电机由控制器控制；所述的扭矩位移测试机构设有沿周向均布的三个，所述的正交架包括相互正交的三根支柱，每个扭矩位移测试机构中支承第一锥齿轮轴的轴承座固定在正交架的对应一根支柱上；三个扭矩位移测试机构的全向轮相互正交，且三个扭矩位移测试机构的全向轮垂直于轴线的中心对称面交于一点。

2.根据权利要求1所述的一种球铰刚度测试装置，其特征在于：还包括三个弹性元件机构；所述的弹性元件机构包括刚性绳组件、导向滚轮和预紧滚轮；所述的导向滚轮铰接在机架上；所述的预紧滚轮与连接板铰接，连接板固定在机架侧部；所述的刚性绳组件由第一绳段、第二弹簧、第二绳段、S型拉力传感器和第三绳段组成；所述第一绳段的一端与第二绳段的一端通过第二弹簧连接，第二绳段的另一端与和第三绳段的一端通过S型拉力传感器连接；第三绳段的另一端与预紧滚轮固定；第一绳段绕过导向滚轮；所述的预紧滚轮上固定有棘轮，连接板上铰接有卡爪，卡爪与棘轮啮合，且卡爪与连接板通过扭簧连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种球铰刚度测试装置，其特征在于：所述的机架上固定设有上安装台和下安装台；球铰压紧机构的导柱与上安装台构成滑动副，第一弹簧的顶端由上安装台限位；扭矩位移测试机构的正交架、动态扭矩传感器的外壳和步进电机的底座均固定在下安装台上，第二锥齿轮轴和平衡轴均与下安装台构成转动副。

4.根据权利要求1所述的一种球铰刚度测试装置的测试方法，其特征在于：该方法具体如下：

将球铰机构的输出球铰从球铰机构上拆卸下来，将球铰机构的座体固定在机架上；然后，将球铰机构的输出球铰置于球铰压紧机构的三个第二万向球以及三个扭矩位移测试机构的全向轮之间，输出球铰的转轴部分穿过球铰压紧机构重新装配到球铰机构上；此时，输出球铰的球体部分在球铰压紧机构的第一弹簧弹力作用下顶部与三个第二万向球均接触，底部与三个扭矩位移测试机构的全向轮均接触；若球铰机构为前置动力式，则将球铰机构的三个动力输入件与三个弹性元件机构分别连接，实现柔性球铰机构的刚度测试；其中，弹性元件机构包括刚性绳组件、导向滚轮和预紧滚轮；导向滚轮铰接在机架上；预紧滚轮与连接板铰接，连接板固定在机架侧部；刚性绳组件由第一绳段、第二弹簧、第二绳段、S型拉力传感器和第三绳段组成；第一绳段的一端与第二绳段的一端通过第二弹簧连接，第二绳段的另一端与和第三绳段的一端通过S型拉力传感器连接；第三绳段的另一端与预紧滚轮固定；第一绳段绕过导向滚轮；预紧滚轮上固定有棘轮，连接板上铰接有卡爪，卡爪与棘轮啮合，且卡爪与连接板通过扭簧连接；三个弹性元件机构的第一绳段另一端与球铰机构的三个动力输入件分别固定；接着，控制三个扭矩位移测试机构的步进电机的转速和转向，驱动三个全向轮带动输出球铰运动，输出球铰的阻力矩经三个全向轮传递到三个扭矩位移测试机构的步进电机，实现输出球铰平衡，三个扭矩位移测试机构的动态扭矩传感器测量输出球铰绕三个全向轮轴线方向转动的扭矩，将三个转动方向上的扭矩对角度进行求导，得到输出球铰绕三个全向轮轴线转动方向上的转动刚度，从而获得输出球铰任意运动轨迹上的刚度变化曲线，实现球铰机构的刚度测试；其中，步进电机依次经平衡轴、动态扭矩传感器、第二锥齿轮轴和第一锥齿轮轴带动全向轮转动，输出球铰的阻力矩依次经全向轮、第一锥齿轮轴、第二锥齿轮轴、动态扭矩传感器和平衡轴传递到步进电机。

5.根据权利要求4所述的一种球铰刚度测试装置的测试方法，其特征在于：若球铰机构为前置动力式，则三个扭矩位移测试机构的步进电机启动前，先通过三个弹性元件机构的预紧滚轮调整各卡爪在对应棘轮上的位置，从而调整三个弹性元件机构的第二弹簧预紧力，并保证三个弹性元件机构的第二弹簧预紧力相同。

6.根据权利要求4所述的一种球铰刚度测试装置的测试方法，其特征在于：若球铰机构为前置动力式，则球铰机构的三个动力输入件在随输出球铰运动过程中，带动三个弹性元件机构的刚性绳组件伸缩，刚性绳组件的S型拉力传感器测量输出球铰运动过程中第二弹簧的弹力，得到球铰机构的三个动力输入件所受弹力变化曲线，实现柔性球铰机构的刚度测试。

7.根据权利要求4、5或6所述的一种球铰刚度测试装置的测试方法，其特征在于：当三个扭矩位移测试机构的步进电机驱动三个全向轮等速等向转动时，输出球铰绕竖直方向转动，获得的扭矩呈线性变化，求导获得的刚度恒定；当其中一个全向轮不动，另外两个全向轮保持等速反向转动时，输出球铰绕水平面的某一根轴线转动。

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