模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911032446.1 (22)申请日 2019.10.28 (71)申请人 浙江工业大学 地址 310000 浙江省杭州市下城区潮王路 18号 (72)发明人 裘信国裘锦霄季行健朱刚 姜伟郑颖王晨 (74)专利代理机构 杭州浙科专利事务所(普通 合伙) 33213 代理人 吴秉中 (51)Int.Cl. B25J 19/00(2006.01) (54)发明名称 一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载 的实验装置 (57)摘要 本发明公开了一种模拟工业机器人单关节 变惯量变负。

2、载的实验装置， 包括第一输入伺服电 机、 第一减速器、 第一联轴器、 动态扭矩传感器、 第二联轴器、 角度传感器、 双轴承座、 变惯量杆 臂、 转轴、 第二输入伺服电机、 第二减速器、 第三 联轴器、 质量滑块、 摆臂、 滑动轴承座、 转动轴、 第 一支撑底座、 第二支撑底座、 第三支撑底座第四 支撑底座和滑槽底座， 本发明综合了惯性时变和 负载动态变化， 控制系统能够满足多种复杂负载 和惯量变化情况， 模拟关节工况。 权利要求书2页 说明书4页 附图5页 CN 110696048 A 2020.01.17 CN 110696048 A 1.一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置， 其。

3、特征在于： 包括第一输入 伺服电机(1)、 第一减速器(2)、 第一联轴器(3)、 动态扭矩传感器(4)、 第二联轴器(5)、 角度 传感器(6)、 双轴承座(7)、 变惯量杆臂(9)、 转轴(8)、 第二输入伺服电机(17)、 第二减速器 (16)、 第三联轴器(15)、 质量滑块(10)、 摆臂(12)、 滑动轴承座(14)、 转动轴(13)、 第一支撑 底座(20)、 第二支撑底座(21)、 第三支撑底座(22)第四支撑底座(18)和滑槽底座(19)， 所述第一输入伺服电机(1)和第一减速器(2)均固定在第三支撑底座(22)上， 第一输入 伺服电机(1)的输出轴依次连接第一减速器(2)、。

4、 第一联轴器(3)、 动态扭矩传感器(4)、 第二 联轴器(5)、 角度传感器(6)和转轴(8)， 所述动态扭矩传感器(4)固定在所述第二支撑底座 (21)上， 所述转轴(8)通过第一双轴承座(7)支撑， 第一双轴承座(7)固定在第一支撑底座 (20)上； 所述第二输入伺服电机(17)和第二减速器(16)均固定在第四支撑底座(18)上， 第 二输入伺服电机(17)的输出轴依次连接第二减速器(16)、 第三联轴器(15)和转动轴(13)， 所述滑动轴承座(14)可以通过定位螺钉固定在滑槽底座(19)不同定位孔上实现所述转动 轴(13)的轴心线与转轴(8)的轴心线平行且距离可变； 所述第一支撑底座。

5、(20)、 第二支撑底 座(21)、 第三支撑底座(22)、 第四支撑底座(18)和滑槽底座(19)均固定在工作台面上； 转动 轴(13)套装在滑动轴承座(14)并利用滑动轴承座(14)进行支撑， 所述转动轴(13)与摆臂 (12)的一端固定连接， 所述摆臂(12)的另一端通过铰链(11)在质量滑块(10)上， 所述质量 滑块(10)上设置有与变惯量杆臂(9)相配合的通孔， 质量滑块(10)套装在变惯量杆臂(9) 上； 所述变惯量杆臂(9)与转轴(8)平键连接， 并用轴端挡圈限位。 2.根据权利要求1所述的一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置， 其特 征在于： 所述摆臂(12)上设置。

6、有至少三个等距分布的铰接孔， 铰链(11)铰接在摆臂(12)的 其中一个铰接孔上。 3.根据权利要求1所述的一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置， 其特 征在于： 所述第一输入伺服电机(1)的输出轴、 第一减速器(2)、 第一联轴器(3)、 动态扭矩传 感器(4)、 第二联轴器(5)、 角度传感器(6)和转轴(8)的轴心线位于同一条直线上。 4.根据权利要求1所述的一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置， 其特 征在于： 所述第一输入伺服电机(1)和第二输入伺服电机(17)均为永磁同步电机。 5.根据权利要求1所述的一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置， 其特 征在。

7、于： 所述第一联轴器(3)、 第二联轴器(5)、 第三联轴器(15)均为弹性联轴器。 6.根据权利要求1所述的一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置， 其特 征在于： 所述转轴(8)为多段阶梯轴， 包括依次连接的第一直线段(27)、 第二直线段(28)、 第 三直线段、 第三台阶段(29)和第四直线段(30)， 第一直线段(27)、 第二直线段(28)和第三台 阶段(29)的直径逐渐增大， 所述第一直线段(27)和第四直线段(30)上设置有键槽， 所述第 二直线段(28)靠近第一直线段(27)的一端设置有传感器定位槽(31)， 所述转轴(8)的第一 直线段(27)与第三联轴器(15)通。

8、过键连接， 所述变惯量杆臂(9)的一端设置有与转轴(8)的 第四直线段(30)外径间隙配合的套筒， 变惯量杆臂(9)的套筒与转轴(8)的第四直线段(30) 通过键固定连接； 所述转轴(8)的第二直线段(28)通过轴承支撑在第一双轴承座(7)上， 变 惯量杆臂(9)的一端通过转轴(8)的第三台阶段(29)进行轴向定位； 所述角度传感器(6)为 中空盘形角位移传感器， 角度传感器(6)的外部固定座固定在第一双轴承座(7)上， 角度传 感器(6)的转动端套装在转轴(8)的第二直线段(28)设置有传感器定位槽(31)的一端， 角度 权利要求书 1/2 页 2 CN 110696048 A 2 传感器(。

9、6)的转动端通过转轴(8)上的传感器定位槽(31)进行固定及定位。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110696048 A 3 一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置 技术领域 0001 本发明涉及关节伺服控制系统测试领域， 涉及变负载变惯量的实验装置领域， 更 具体的说， 尤其涉及一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置。 背景技术 0002 目前直接在工业机器人关节上进行伺服电机控制算法的实验研究需要攻克诸多 技术难点， 因此研究多局限于软件仿真阶段。 为了有效的进行实验和控制算法的评价， 需要 模拟工况， 特别是模拟工业机器人关节负载和惯量的变化特性。 0003 现有模拟。

10、实验平台多只有单一的变负载或变惯量， 或结构极其复杂， 负载一般采 用的加载方式为机械加载、 电液伺服加载、 电磁加载和电机加载、 惯量模拟加载装置等。 机 械加载主要优点是工作可靠， 结构简单， 缺点是不能实现连续变化的载荷谱， 且不能在运转 中加载或调整载荷。 电液伺服加载可实现连续加载， 且频带较宽， 输出负载力矩大， 但是存 在液压源体积大、 噪声大， 容易产生多余力矩等缺点。 电机加载设备目前主要采用直流电机 或力矩电机， 直流电机作为加载元件存在电枢电流大， 功率损失大， 由于换向器的存在， 对 提供 “正、 反转的力矩” 不便。 变惯量装置多采用惯量盘等， 通过调节惯量盘尺寸和质。

11、量实现 改变惯量的目的， 因惯量盘安装同轴度等问题， 造成一定的实验难度， 0004 针对上述加载和变惯量的方式存在的问题， 设计了通过结构设计动态改变质量滑 块与转轴相对位置来实现动态惯量变化， 同时采用永磁同步电机输出转矩通过摆臂加载到 质量滑块上来实现负载的改变。 发明内容 0005 本发明的目的在于解决现有模拟实验装置只有单一的变负载或变惯量， 或只能静 态变化， 或结构极其复杂的缺陷， 提出了一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验 装置， 能够综合惯量动态变化， 满足多种复杂负载， 模拟关节负载惯量工况。 0006 本发明通过以下技术方案来实现上述目的： 一种模拟工业机器人单关节。

12、变惯量变 负载的实验装置， 包括第一输入伺服电机、 第一减速器、 第一联轴器、 动态扭矩传感器、 第二 联轴器、 角度传感器、 双轴承座、 变惯量杆臂、 转轴、 第二输入伺服电机、 第二减速器、 第三联 轴器、 质量滑块、 摆臂、 滑动轴承座、 转动轴、 第一支撑底座、 第二支撑底座、 第三支撑底座第 四支撑底座和滑槽底座， 0007 所述第一输入伺服电机和第一减速器均固定在第三支撑底座上， 第一输入伺服电 机的输出轴依次连接第一减速器、 第一联轴器、 动态扭矩传感器、 第二联轴器、 角度传感器 和转轴， 所述动态扭矩传感器固定在所述第二支撑底座上， 所述转轴通过双轴承座支撑， 双 轴承座固定。

13、在第一支撑底座上； 所述第二输入伺服电机和第二减速器均固定在第四支撑底 座上， 第二输入伺服电机的输出轴依次连接第二减速器、 第三联轴器和转动轴， 所述滑动轴 承座可以通过定位螺钉固定在滑槽底座不同定位孔上实现所述转动轴的轴心线与转轴的 轴心线平行且距离可变； 所述第一支撑底座、 第二支撑底座、 第三支撑底座、 第四支撑底座 说明书 1/4 页 4 CN 110696048 A 4 和滑槽底座均固定在工作台面上； 第一支撑底座与滑槽底座之间的工作台面上有开口槽， 使装置在运动过程中不发生干涉， 转动轴套装在滑动轴承座并通过滑动轴承座进行支撑， 所述转动轴与摆臂的一端固定连接， 所述摆臂的另一端。

14、通过铰链在质量滑块上， 所述质量 滑块上设置有与变惯量杆臂相配合的通孔， 质量滑块套装在变惯量杆臂上； 所述变惯量杆 臂与转轴平键连接， 并用轴端挡圈限位。 0008 进一步的， 所述摆臂上设置有至少三个等距分布的铰接孔， 铰链铰接在摆臂的其 中一个铰接孔上。 通过铰链铰接在摆臂的不同的铰接孔上手动调节质量滑块的质心位置。 0009 进一步的， 所述输入伺服电机的输出轴、 第一减速器、 第一联轴器、 动态扭矩传感 器、 第二联轴器、 角度传感器和转轴的轴心线位于同一条直线上。 0010 进一步的， 所述第一输入伺服电机和第二输入伺服电机均为永磁同步电机。 0011 进一步的， 所述第一联轴器、。

15、 第二联轴器、 第三联轴器和第三联轴器均为弹性联轴 器。 0012 进一步的， 所述转轴为多段阶梯轴， 包括依次连接的第一直线段、 第二直线段、 第 三直线段、 第三台阶段和第四直线段， 第一直线段、 第二直线段和第三台阶段的直径逐渐增 大， 所述第一直线段和第四直线段上设置有键槽， 所述第二直线段靠近第一直线段的一端 设置有传感器定位槽， 所述转轴的第一直线段与第三联轴器通过键连接， 所述变惯量杆臂 的一端设置有与转轴的第四直线段外径间隙配合的套筒， 变惯量杆臂的套筒与转轴的第四 直线段通过键固定连接； 所述转轴的第二直线段通过轴承支撑在第一双轴承座上， 变惯量 杆臂的一端通过转轴的第三台阶。

16、段进行轴向定位； 所述角度传感器为中空盘形角位移传感 器， 角度传感器的外部固定座固定在第一双轴承座上， 角度传感器的转动端套装在转轴的 第二直线段设置有传感器定位槽的一端， 角度传感器的转动端通过转轴上的传感器定位槽 进行固定及定位。 角度传感器内部的转动端随着转轴的转动跟随转动。 0013 本发明的具体工作原理如下： 本发明主要用来模拟工业机器人单关节变惯量变负 载的实验， 即对用于模拟工业机器人关节的变惯量杆臂做到既能变惯量又能变负载的功 能， 通过控制系统控制第一输入伺服电机输出扭矩， 将扭矩传递到减速器上进行增扭， 最终 带动转轴和外加负载的变惯量杆臂的运动， 外加负载通过第二输入伺。

17、服电机实现， 第二输 入伺服电机工作时通过第三联轴器与转动轴连接， 通过与转动轴固定连接的摆臂施加同向 或反向的负载到质量滑块上， 实现模拟变惯量杆臂的负载变化功能， 即模拟在工业机器人 抓取物体时突增负载等状况。 变惯量杆臂的惯量变化则通过质量滑块实现， 在第一输入伺 服电机转动时， 由于质量滑块与转动轴通过摆臂铰接， 质量滑块会绕着转动轴旋转， 进而实 现质量滑块在变质量杆臂轴向进行一定范围内轴向移动， 使质量滑块的质心到旋转中心的 半径不断变化。 如图3设质量滑块的质量为m1， 变惯量杆臂质量为m2， 长度为L， a为质量滑块 到转动轴的距离， b为转动轴轴心与转轴轴心之间的距离， c为。

18、质量滑块到转轴轴心的距离， 转轴转过的角度为 。 则 0014 0015 且a， b可调， c随 变化的曲线如图4为类正弦曲线。 通过转动惯量的计算公式： 0016 说明书 2/4 页 5 CN 110696048 A 5 0017 可知在杆臂旋转过程中实现了惯量的动态变化， 且接近工业机器人惯量变化特 性。 假设第二输入伺服电机施加在质量滑块上的力为F， 则负载力矩为TFc。 0018 角度传感器检测转动角度， 利用角度传感器获得的未知信号反馈到控制系统中， 通过闭环控制第一输入伺服电机的输出， 实现对变惯量杆臂的位置的精确控制。 动态扭矩 传感器财采集扭矩信号， 并利用扭矩传感器获取的扭矩。

19、， 保证变惯量杆臂的负载的精确控 制并观察实际负载加载状况。 0019 在进行实验时， 保持控制器算法不变， 改变惯量和负载， 测得其位置信号随时间变 化的曲线。 保持惯量和负载不变， 改变控制算法， 继续实验测得位置变化曲线。 对实验结构 进行分析比较， 完成对控制算法的实验研究。 0020 本发明还运用到了常规的伺服控制系统对电机进行运动控制和直接转矩控制。 0021 本发明的有益效果在于： 0022 1、 本发明综合了惯性动态变化， 既可以变化惯量也可以变化负载。 0023 2、 本发明通过测量被控对象的扭矩、 角度等信号， 能够测试伺服系统在不同负载 工况下的静动态性能， 能够构成位置。

20、或力的控制闭环系统， 可以用来研究关节伺服系统控 制算法性能。 0024 3、 本发明采用变惯量杆臂上套装的质量滑块， 利用变惯量杆臂转动时质量滑块绕 转动轴转动的同时沿变惯量杆臂轴向移动来实现转动惯量的改变， 即通过改变质量滑块与 转动轴心线的距离， 利用Jmc2改变转动半径c的大小实现转动惯量的改变， 此结构简单， 安装方便， 调节容易， 便于实验过程的进行。 0025 4、 本发明采用第二输入伺服电机输出同向或反向变化的负载的到质量滑块上从 而作用到变惯量机械臂上， 实现模拟关节负载变化的功能， 即使在施加负载恒定的情况下， 因力臂c的变化也能实现时变负载， 简要的模拟关节运动状况。 附。

21、图说明 0026 图1是本发明一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置整体装置等轴 侧图。 0027 图2是本发明一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置整体装置轴侧 图。 0028 图3是本发明变惯量原理示意图。 0029 图4是本发明变惯量时质量滑块的质点到转轴轴心线的距离c的变化曲线图。 0030 图5是本发明变惯量杆臂的结构示意图。 0031 图6是本发明摆臂的结构示意图。 0032 图7的本发明质量滑块、 摆臂和变惯量杆臂连接处的局部剖视示意图。 0033 图8是本发明转轴的结构示意图。 0034 图中， 1-第一输入伺服电机、 2-第一减速器、 3-第一联轴器、 4-动。

22、态扭矩传感器、 5- 第二联轴器、 6-角度传感器、 7-双轴承座、 8-转轴、 9-变惯量杆臂、 10-质量滑块、 11-铰链、 12-摆臂、 13-转动轴、 14-滑动轴承座、 15-第三联轴器、 16-第二减速器、 17-第二输入伺服电 机、 18-第四支撑底座、 19-滑槽底座、 20-第一支撑底座、 21-第二支撑底座、 22-第三支撑底 座、 27-第一直线段、 28-第二直线段、 29-第三台阶段、 30-第四直线段、 31-传感器定位槽。 说明书 3/4 页 6 CN 110696048 A 6 具体实施方式 0035 下面结合附图对本发明作进一步说明： 0036 如图18所示。

23、， 一种模拟工业机器人单关节变惯量变负载的实验装置， 包括第一 输入伺服电机1、 第一减速器2、 第一联轴器3、 动态扭矩传感器4、 第二联轴器5、 角度传感器 6、 双轴承座7、 变惯量杆臂9、 转轴8、 第二输入伺服电机17、 第二减速器16、 第三联轴器15、 质 量滑块10、 摆臂12、 滑动轴承座14、 转动轴13、 第一支撑底座20、 第二支撑底座21、 第三支撑 底座22第四支撑底座18和滑槽底座19。 0037 所述第一输入伺服电机1和第一减速器2均固定在第三支撑底座22上， 第一输入伺 服电机1的输出轴依次连接第一减速器2、 第一联轴器3、 动态扭矩传感器4、 第二联轴器5、。

24、 角 度传感器6和转轴8， 所述动态扭矩传感器4固定在所述第二支撑底座21上， 所述转轴8通过 第一双轴承座7支撑， 第一双轴承座7固定在第一支撑底座20上； 所述第二输入伺服电机17 和第二减速器16均固定在第四支撑底座18上， 第二输入伺服电机17的输出轴依次连接第二 减速器16、 第三联轴器15和转动轴13， 所述滑动轴承座14可以通过定位螺钉固定在滑槽底 座19不同定位孔上实现所述转动轴13的轴心线与转轴8的轴心线平行且距离可变； 所述第 一支撑底座20、 第二支撑底座21、 第三支撑底座22、 第四支撑底座18和滑槽底座19均固定在 工作台面上； 转动轴13套装在滑动轴承座14并利用。

25、滑动轴承座14进行支撑， 所述转动轴13 与摆臂12的一端固定连接， 所述摆臂12的另一端通过铰链11在质量滑块10上， 所述质量滑 块10上设置有与变惯量杆臂9相配合的通孔， 质量滑块10套装在变惯量杆臂9上； 所述变惯 量杆臂9与转轴8平键连接， 并用轴端挡圈限位。 0038 所述摆臂12上设置有至少三个等距分布的铰接孔， 铰链11铰接在摆臂12的其中一 个铰接孔上。 0039 所述输入伺服电机的输出轴、 第一减速器2、 第一联轴器3、 动态扭矩传感器4、 第二 联轴器5、 角度传感器6和转轴8的轴心线位于同一条直线上； 所述第一输入伺服电机1和第 二输入伺服电机17均为永磁同步电机。 所。

26、述第一联轴器3、 第二联轴器5、 第三联轴器15均为 弹性联轴器。 0040 所述转轴8为多段阶梯轴， 包括依次连接的第一直线段27、 第二直线段28、 第三直 线段、 第三台阶段29和第四直线段30， 第一直线段27、 第二直线段28和第三台阶段29的直径 逐渐增大， 所述第一直线段27和第四直线段30上设置有键槽， 所述第二直线段28靠近第一 直线段27的一端设置有传感器定位槽31， 所述转轴8的第一直线段27与第三联轴器15通过 键连接， 所述变惯量杆臂9的一端设置有与转轴8的第四直线段30外径间隙配合的套筒， 变 惯量杆臂9的套筒与转轴8的第四直线段30通过键固定连接； 所述转轴8的第。

27、二直线段28通 过轴承支撑在第一双轴承座7上， 变惯量杆臂9的一端通过转轴8的第三台阶段29进行轴向 定位； 所述角度传感器6为中空盘形角位移传感器， 角度传感器6的外部固定座固定在第一 双轴承座7上， 角度传感器6的转动端套装在转轴8的第二直线段28设置有传感器定位槽31 的一端， 角度传感器6的转动端通过转轴8上的传感器定位槽31进行固定及定位。 0041 上述实施例只是本发明的较佳实施例， 并不是对本发明技术方案的限制， 只要是 不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案， 均应视为落入本发明专利 的权利保护范围内。 说明书 4/4 页 7 CN 110696048 A 7 图1 图2 说明书附图 1/5 页 8 CN 110696048 A 8 图3 图4 说明书附图 2/5 页 9 CN 110696048 A 9 图5 说明书附图 3/5 页 10 CN 110696048 A 10 图6 图7 说明书附图 4/5 页 11 CN 110696048 A 11 图8 说明书附图 5/5 页 12 CN 110696048 A 12 。