一种空间机器人关节动态反驱性能测试设备及方法

技术领域

本发明属于空间机器人关节检测领域，尤其是涉及一种空间机器人关节动态反驱性能测试设备及方法。

背景技术

随着空间科学技术的快速发展和应用场景的不断丰富，同时基于外星探测成本以及效益的综合考虑,探测器着陆和移动一体化设计已成为一种相当迫切的研制需求,多次缓冲、自主移动、可收拢展开、姿态调整、复杂地形适应等多种功能需求应运而生，这就对空间机器人关节主动缓冲能力提出了极高的要求，即对其动态反驱性能提出了较高的要求。空间机器人关节通常由谐波减速器、行星减速器或Rv与产品电机连接构成。通常，关节动态反驱性能与正驱性能存在较大差异，为此必须对空间机器人关节动态反驱性能开展试验研究。基于对空间机器人关节动态反驱性能提出的极高要求，相关机构动态反驱性能的地面验证测试对于保障航天器在轨工作可靠至关重要。

现有的测试装置存在以下不足：1、现有的测试装置主要针对机器人关节中的减速器进行研究，缺乏对关节整体性能的研究，存在较大的局限性；2、现有装置仅能用于测试谐波减速器的稳态正驱和静态反驱，无法进行产品的稳态和瞬态反驱动力学特性测试，测试功能较为单一；3、现有装置测试过程中仅能检测产品的力学性能，无法对产品的工作温度进行观测，无法监测产品的工作状态。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种空间机器人关节动态反驱性能测试设备及方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种空间机器人关节动态反驱性能测试设备，包括工作台、驱动单元、第一扭矩传感器和待测关节，所述驱动单元与所述待测关节的输出端连接；所述驱动单元与所述待测关节之间的传动轴上安装有码盘；所述码盘和所述待测关节之间安装所述第一扭矩传感器，用于测量待测关节输出端的扭矩；所述第一扭矩传感器通过第一测量支架固装在所述工作台上；所述待测关节通过关节支架可拆卸地安装在所述工作台上。

进一步的，所述驱动单元包括瞬态释放组件和转接座，所述转接座固装在所述待测关节输出端一侧的传动轴上，所述转接座上可拆卸地安装瞬态释放组件，所述瞬态释放组件用于模拟待测关节实际工作中输出端所受地瞬时冲击力；

所述瞬态释放组件包括连接管、第一弹性件和配重块，所述连接管端部制有连接板，用于与所述转接座连接；所述连接管另一端上端面设置所述第一弹性件，所述第一弹性件下方通过细绳悬挂所述配重块。

进一步的，所述工作台中安装稳定机构，所述稳定机构位于所述瞬态释放组件下方，用于限制所述瞬态释放组件的转动角度；

所述稳定机构包括箱体、第一丝杠驱动机构、第二丝杠驱动机构、水平挡板和竖直挡板，所述箱体中安装竖直设置的所述第一丝杠驱动机构，所述箱体上方设置所述水平挡板，所述水平挡板与所述箱体上端面平行，所述水平挡板在所述第一丝杠驱动机构驱动下相对所述箱体竖直运动；

所述箱体中安装水平设置的所述第二丝杠驱动机构，所述箱体侧方设置所述竖直挡板，所述竖直挡板与所述箱体侧端面平行，所述竖直挡板在所述第二丝杠驱动机构驱动下相对所述箱体水平运动；

所述箱体安装在所述工作台内；所述工作台顶部开设有供所述水平挡板伸出的水平开口，侧面开设有用于避让所述配重块的竖直开口，所述竖直挡板从所述竖直开口伸出；

所述箱体上安装有用于驱动所述第一丝杠驱动机构和所述第二丝杠驱动机构的第一驱动电机和第二驱动电机；

所述第一丝杠驱动机构和所述第二丝杠驱动机构为蜗轮丝杠升降机；所述水平挡板和所述竖直挡板分别固装在蜗轮丝杠升降机的丝杠端部。

进一步的，所述待测关节包括减速器和产品电机。

进一步的，还包括稳压模块，所述稳压模块与所述产品电机连接，用于控制所述产品电机的电压。

进一步的，所述待测关节包括减速器和工装电机，所述工装电机的转接轴与加载装置连接，所述加载装置用于模拟所述待测关节实际工作状态下的负载；所述待测关节输入端和所述加载装置之间安装有第二扭矩传感器，用于测量所述待测关节输入端的扭矩；

所述第二扭矩传感器通过第二测量支架可拆卸地安装在所述工作台上；

所述加载装置通过加载支架可拆卸地安装在所述工作台上。

进一步的，所述加载装置为磁滞制动器。

进一步的，所述驱动单元包括驱动电机和减速机，所述驱动电机与所述减速机的输入端连接，所述减速机的输出端与待测关节的输出端连接；

所述驱动电机和所述减速机通过驱动支架可拆卸地安装在所述工作台上。

进一步的，所述待测关节上设置温度传感器。

一种空间机器人关节动态反驱性能测试方法，包括以下步骤：

S1、安装待测关节：

将待测关节安装到工作台的关节支架上，待测关节中安装工装电机，待测关节输出端与驱动单元的减速机输出端连接，待测关节输入端与加载装置连接；

S2、测试减速器的稳态反驱性能：

驱动电机向待测关节提供主动力矩，通过磁滞制动器提供负载模拟实际工作状态，通过第一扭矩传感器和第二扭矩传感器收集待测关节输出端和输入端的扭矩，同时通过码盘和温度传感器实时监测待测关节的运行状态；

S3、更换产品电机：

松开待测关节与第二扭矩传感器的联轴器，使第二扭矩传感器与待测关节分离，更换待测关节，将待测关节中的工装电机替换为产品电机；

S4、测试待测关节整体的稳态反驱性能：

驱动电机向待测关节提供主动力矩，产品电机运行提供负载模拟实际工作状态，通过第一扭矩传感器收集待测关节输出端的扭矩，同时通过码盘和温度传感器实时监测待测关节的运行状态；

S5、安装瞬态释放组件：

松开减速机和码盘之间的联轴器，使减速机与码盘分离，在转接座上安装瞬态释放组件，将稳定机构的水平挡板提升至预设高度，竖直挡板向外伸出至不会与配重块发生干涉的位置；

S6、测试待测关节的瞬态反驱性能：

瞬时释放组件通过水平挡板进行限制，转动一定角度，配重块下落模拟待测关节输出端的冲击力，同时通过第一扭矩传感器采集待测关节输出端的力矩，通过测试台采集电机电流转换为输入端力矩，通过码盘测量待测关节输出端的转速，同时通过温度传感器实时监测待测关节的运行状态，根据采集数据分析待测关节的动态力学性能。

相对于现有技术，本发明所述的空间机器人关节动态反驱性能测试设备具有以下有益效果：

(1)本发明所述的空间机器人关节动态反驱性能测试设备，可在产品电机和工装电机两种状态下测试，分别实现针对减速器和关节整体两种测试状态的测试需求，产品电机状态下，通过设置稳压模块，克服了因减速器反驱产品电机转轴导致电压升高烧毁产品的问题，填补了现有技术中针对空间机器人关节整体动力学特性测试验证的空白。

(2)本发明所述的空间机器人关节动态反驱性能测试设备，通过设置瞬态释放组件模拟实际工作状态下产品输出端受到的瞬时冲击力和接触刚度，瞬态释放组件可拆卸安装，在仅需对部分零件进行更换的条件下，实现了空间机器人关节稳态及瞬态反驱的动态性能测试的集成，实现了关节动态反驱性能的全验证。

(3)本发明所述的空间机器人关节动态反驱性能测试设备，不仅设置有扭矩传感器，还设置有温度传感器和码盘，对产品力矩、转速、温度及关节自身被动控制的力矩等内外部动态反驱核心参数进行同步采集，可实时监测产品的工作状态，确保测试过程中产品正常运转，实现了测试工况的全面性和内外部数据的采集实时同步性，测试设备功能齐全、安全可靠。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一的结构示意图(断开部分图中未展示)；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为本发明实施例三的结构示意图(断开部分图中未展示)；

图4为本发明图3中A部的局部放大图；

图5为本发明稳定机构的结构示意图。

图中，1-驱动单元；101-驱动电机；102-减速机；2-驱动支架；3-码盘；4-第一扭矩传感器；5-关节支架；6-待测关节；601-减速器；602-工装电机；603-产品电机；7-第二扭矩传感器；8-加载装置；9-加载支架；10-显示屏；11-工作台；12-万向轮；13-第一测量支架；14-瞬态释放组件；1401-弹性件；1402-连接管；1403-连接板；1404-转接座；1405-配重块；15-稳定机构；1501-竖直挡板；1502-水平挡板；1503-第一丝杠驱动机构；1504-第二丝杠驱动机构；1505-箱体；16-竖直开口；17-水平开口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本发明提供了一种空间机器人关节动态反驱性能测试设备，包括工作台11、驱动单元1、第一扭矩传感器4和待测关节6，所述驱动单元1与所述待测关节6的输出端连接；所述驱动单元1与所述待测关节6之间的传动轴上安装有码盘3，码盘3用于测量待测关节6转速，确保工作人员可以实时监测待测关节6的工作状态；所述码盘3和所述待测关节6之间安装所述第一扭矩传感器4，用于测量待测关节6输出端的扭矩，码盘3通过传动轴系和联轴器与第一扭矩传感器4连接；所述第一扭矩传感器4通过第一测量支架13固装在所述工作台11上；所述待测关节6通过关节支架5可拆卸地安装在所述工作台11上。

在本实施例中待测关节6由减速器601和产品电机603连接组成，减速器601的输出轴为输出端，通过驱动单元1向待测关节6的输出端提供驱动力矩，反向驱动产品电机603，通过第一扭矩传感器4测量待测关节6输出端的扭矩，研究空间机器人关节整体在反驱状态下的动态力学性能。

工作台11上还设置有稳压模块，所述稳压模块与所述产品电机603连接，用于控制所述产品电机603的电压。稳态反驱测试中，驱动单元1驱动减速器601带动产品电机603转轴反转，产品电机603变为发电机，导致电压急剧升高，通过设置稳压模块确保产品电机603保持恒压输出，多余的能量储存在稳压模块中，避免产品电机603因电压急剧升高而烧毁。

所述驱动单元1包括驱动电机101和减速机102，所述驱动电机101的输出轴通过联轴器与所述减速机102的输入端连接，所述减速机102的输出端与待测关节6的输出端连接。所述驱动电机101和所述减速机102通过驱动支架2可拆卸地安装在所述工作台11上。

待测关节6上设置温度传感器，温度传感器实时监测检测区域的产品温度，方便工作人员对产品温度进行观测，确保测试过程中待测关节6正常工作。

工作台11上设置有显示屏10，方便工作人员进行观测。工作台11底部安装若干万向轮12。工作台11充分考虑操作的实施性、便捷性以及可扩展性等优化各设备布局，可实现输入、输出端独立控制，互不干扰、电压快速稳定，设备自身以及内外部测试数据实时同步采集、自动汇总以及自动整合，在测试过程中可基于成功包络图自动预判产品一致性和合格情况，与此同时，设备设置有应急处理按钮，防止意外情况造成产品损伤，最大程度保护产品的完好性。设备中还设置有急停按钮，在紧急情况时可实现产品防护；具备日志保存、调取功能，能进行参数保存，在下次使用时不用重新输入，可直接调取使用。

实施例二

在本实施例中减速器601与工装电机602连接构成待测关节6，减速器601的输出轴作为待测关节6的输出端，工装电机602的转接轴作为待测关节6的输入端。所述工装电机602的转接轴与加载装置8连接，所述加载装置8用于模拟所述待测关节6输入端实际工作状态下的负载；所述待测关节6输入端和所述加载装置8之间安装有第二扭矩传感器7，用于测量所述待测关节6输入端的扭矩；所述第二扭矩传感器7通过第二测量支架可拆卸地安装在所述工作台11上；所述加载装置8通过加载支架9可拆卸地安装在所述工作台11上。

具体的，所述加载装置8为磁滞制动器，磁滞制动器通过加载支架9可拆卸地安装在工作台11上。待测关节6的输入端通过传动轴系和联轴器与第二扭矩传感器7连接，第二扭矩传感器7通过联轴器与磁滞制动器连接，通过松开联轴器可以轻松实现磁滞制动器与待测关节输入端的分离。

本实施例将待测关节6中的产品电机603更换为工装电机602，通过加载装置8与工装电机602的转接轴连接，为产品关节的减速器601提供阻力矩，模拟关节实际工作中的负载，通过第一扭矩传感器4和第二扭矩传感器7测量关节输出端和输入端的扭矩，主要用于研究空间机器人关节中的减速器601在反驱状态下的动态力学性能。

实施例一和实施例二中描述的方案可用于空间机器人关节的稳态反驱性能测试，稳态反驱性能测试研究的是待测关节6输出端受到稳定主动力，输入端被迫跟随稳定运动过程的动力学特征。测试时先在工装电机602状态下进行测试，再将工装电机602更换为产品电机603进行测试，直接松开待测关节6与磁滞制动器之间的联轴器，即可快速断开磁滞制动器与待测关节6的连接，磁滞制动器可无需拆除。

实施例三

在实施例一或实施例二的基础上，将驱动电机101和减速机102更换为瞬态释放组件14，以瞬态释放组件14作为驱动单元1为待测关节6的输出端提供驱动力矩。实际测试过程中，直接松开减速机102和码盘3之间的联轴器，即可快速断开减速机102与待测关节6之间的连接，驱动单元1可无需拆除。

在待测关节6输出端一侧的传动轴上固装转接座1404，所述转接座1404上可拆卸地安装瞬态释放组件14，所述瞬态释放组件14用于模拟待测关节6实际工作中输出端所受地瞬时冲击力。所述瞬态释放组件14包括连接管1402、第一弹性件1401和配重块1405，所述连接管1402端部制有连接板1403，用于与所述转接座1404连接；所述连接管1402另一端上端面设置所述第一弹性件1401，所述第一弹性件1401下方通过细绳悬挂所述配重块1405。瞬态反驱时通过瞬态释放组件14的配重块1405提供产品输出端冲击力，通过设置第一弹性件1401模拟机器人执行机构刚度，从而模拟产品实际接触刚度。工作台11侧面开设有用于避让配重块1405的竖直开口16，防止配重块1405下落后与工作台11发生磕碰。测试时释放配重块，配重块下落通过连接管带动传动轴转动，从而向待测关节输出端提供驱动力矩。

所述工作台中安装稳定机构15，所述稳定机构15位于所述瞬态释放组件14下方，用于限制所述瞬态释放组件14的转动角度。所述稳定机构15包括箱体1505、第一丝杠驱动机构1503、第二丝杠驱动机构1504、水平挡板1502和竖直挡板1501，所述箱体1505中安装竖直设置的所述第一丝杠驱动机构1503，所述箱体1505上方设置所述水平挡板1502，所述水平挡板1502与所述箱体1505上端面平行，所述水平挡板1502在所述第一丝杠驱动机构1503驱动下相对所述箱体1505竖直运动；所述箱体1505中安装水平设置的所述第二丝杠驱动机构1504，所述箱体1505侧方设置所述竖直挡板1501，所述竖直挡板1501与所述箱体1505侧端面平行，所述竖直挡板1501在所述第二丝杠驱动机构1504驱动下相对所述箱体1505水平运动。所述箱体1505上安装有用于驱动所述第一丝杠驱动机构1503和所述第二丝杠驱动机构1504的第一驱动电机101和第二驱动电机101。所述箱体1505安装在所述工作台11内；所述工作台11顶部开设有供所述水平挡板1502伸出的水平开口17，所述竖直挡板1501从工作台11侧面的竖直开口16伸出。水平挡板1502位于瞬态释放组件14的连接管1402下方，测试时水平挡板1502上升至预设高度，用于限制瞬态释放组件14的转动角度，竖直挡板1501从竖直开口16伸出，防止与配重块1405发生干涉，测试结束后，水平挡板1502下降至与工作台11上表面持平，竖直挡板1501回收至与工作台11侧表面持平，通过水平挡板1502和竖直挡板1501对水平开口17和竖直开口16进行封闭，防止灰尘等杂物落入工作台11内部造成污染。所述第一丝杠驱动机构1503和所述第二丝杠驱动机构1504为蜗轮丝杠升降机；所述水平挡板1502和所述竖直挡板1501分别固装在蜗轮丝杠升降机的丝杠端部。第一丝杠驱动机构1503和第二驱动机构的蜗杆分别与第一驱动电机101和第二驱动电机101的输出轴固接。通过电机驱动丝杠移动，从而带动水平挡板1502和竖直挡板1501移动。水平挡板1502上可设置第二弹性件1401，用于模拟实际接触刚度。

本实施例中设置瞬态释放组件14和稳定机构15，可用于空间机器人关节的瞬态反驱测试，瞬态反驱性能主要研究的是机器人关节输出端在不同的接触刚度受到瞬时主动力时，输出端被迫转动到自稳定运动过程的动力学特征。瞬态释放组件14提供瞬时冲击力和模拟接触刚度，稳定机构15配合瞬态释放组件14控制待测关节6的反驱角度。

本发明提供一种空间机器人关节动态反驱性能测试方法，包括以下步骤：

S1、安装待测关节6：

将待测关节6安装到工作台11的关节支架5上，待测关节6中安装工装电机602，待测关节6输出端与驱动单元1的减速机102输出端连接，待测关节6输入端与加载装置8连接；

S2、测试减速器601的稳态反驱性能：

驱动电机101向待测关节6提供主动力矩，通过磁滞制动器提供负载模拟实际工作状态，通过第一扭矩传感器4和第二扭矩传感器7收集待测关节6输出端和输入端的扭矩，同时通过码盘3和温度传感器实时监测待测关节6的运行状态；

S3、更换产品电机603：

松开待测关节与第二扭矩传感器的联轴器，使第二扭矩传感器与待测关节分离，更换待测关节，将待测关节中的工装电机替换为产品电机；

S4、测试待测关节6整体的稳态反驱性能：

驱动电机101向待测关节6提供主动力矩，产品电机603运行提供负载模拟实际工作状态，通过第一扭矩传感器4收集待测关节6输出端的扭矩，同时通过码盘3和温度传感器实时监测待测关节6的运行状态；

S5、安装瞬态释放组件：

松开减速机102和码盘3之间的联轴器，使减速机102与码盘3分离，在转接座1404上安装瞬态释放组件14，将稳定机构15的水平挡板1502提升至预设高度，竖直挡板1501向外伸出至不会与配重块1405发生干涉的位置；

S6、测试待测关节的瞬态反驱性能：

瞬时释放组件14通过水平挡板1502进行限制，转动一定角度，配重块1405下落模拟待测关节6输出端的冲击力，同时通过第一扭矩传感器4采集待测关节6输出端的力矩，通过测试台采集电机电流转换为输入端力矩，通过码盘3测量待测关节6输出端的转速，同时通过温度传感器实时监测待测关节6的运行状态，根据采集数据分析待测关节6的动态力学性能。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。