本發(fā)明涉及一種并/混聯機構與機器人性能參數測試系統(tǒng)，屬于機構學與機器人學領域。

背景技術：

并/混聯機構與機器人一直以來是機構學與機器人學領域中最為活躍的分支之一。并/混聯機構的構型不斷被創(chuàng)新，其應用越來越廣泛。針對各種構型的并/混聯機構，其應用與機構的性能參數密切相關。并/混聯機構的性能參數包括末端執(zhí)行器參考點的運動軌跡、速度和加速度、末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)、工作空間等運動學參數和功率、受力特性等動力學參數。

目前測試并/混聯機構運動軌跡的方法主要有三坐標測量儀、激光跟蹤儀。三坐標測量儀是將被測物體置于三坐標測量儀的測量空間中，通過探頭以很高精度獲取被測物體的運動參數，但其測量參數范圍受限、易受環(huán)境因素影響、價格昂貴。激光跟蹤儀是一種高精度、大尺寸的測量儀器，效率高、操作簡便，但動態(tài)速度受限制、操作溫度不易控制且價格昂貴。

申請人經過檢索，專利（201110032162.x）公開了一種負載模擬器，通過模擬器本身的運動使與被測機構連桿發(fā)生彈性變形來對被測機構施加負載。本發(fā)明測試系統(tǒng)屬于從動系統(tǒng)，本身不帶主動部件，與本發(fā)明的測試原理不同。

專利（201410637388.6）公開了一種基于拉繩編碼器的串聯運動機構參數誤差測量裝置，該裝置僅用到了1個拉繩編碼器，不能測出被測機構的實際運動軌跡，且對未知的運動學模型機構不能繪制運動軌跡。針對以上不足，本發(fā)明專利公開的并/混聯機構的運動學測試方法，采用6個拉繩編碼器，在不知機構運動學模型的情形下可以準確繪制被測部件的運動位置以及姿態(tài)軌跡，測試性能穩(wěn)定，適應環(huán)境能力強。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是：針對現有測試技術不足，提出一種適用于并/混聯機構與機器人的性能參數測試系統(tǒng)，克服現有測試設備參數不穩(wěn)定、易受環(huán)境因素影響等缺陷。該系統(tǒng)裝置簡單、成本較低、測試精度高，能準確繪制被測并/混聯機構的運動軌跡以及電機輸出力矩，為并/混聯機構的構型設計及性能參數的優(yōu)化提供實驗手段。

為達到發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術方案：

一種并/混聯機構與機器人性能參數測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括支撐平臺、測試裝置、上位機和伺服控制系統(tǒng)，測試裝置可拆卸安裝在支撐平臺上。

所述支撐平臺為立柱式鋼框架結構，鋼框架支撐平臺的頂部內側安裝有正六邊形六角平臺，六角平臺底部安裝有測試裝置，將被測機構同時與測試裝置和伺服控制系統(tǒng)連接，伺服控制系統(tǒng)驅動控制被測機構的運動，測試裝置將被測機構的直線運動轉換為旋轉運動并通過測試裝置的驅動編碼功能將模擬量輸出，再將測試裝置的模擬量輸出通道與上位機連接。

所述的測試裝置包括拉繩編碼器、滑輪座、滾動軸承和測試平臺，所述正六邊形六角平臺的各邊中間位置分別連接有拉繩編碼器，測試平臺設于六角平臺的正下方，各拉繩編碼器的拉繩末端通過滑輪座和滾動軸承導向后固定于測試平臺的邊緣處，測試平臺與被測機構的末端執(zhí)行器固定在一起，測試平臺隨被測機構的末端執(zhí)行器運動并拉動拉繩編碼器的拉繩。

所述的測試平臺為正三角形板狀結構，拉繩編碼器的拉繩末端相鄰兩兩一組固定于測試平臺的頂角處。

所述的伺服控制系統(tǒng)包括電控箱體、伺服驅動器和工控機，伺服驅動器和工控機安裝于電控箱體上，上位機、伺服驅動器和工控機通過端子接線板與電控箱體連接，伺服驅動器驅動伺服電機使被測機構運動，電控箱體通過伺服驅動器、上位機分別控制被測機構的運動以及接收拉繩編碼器的反饋結果。

所述支撐平臺是由方鋼管連接組成的鋼框架，六角平臺固定在鋼框架頂部的方鋼管上，鋼框架的豎向方鋼管上連接有兩根相互平行的橫向角鐵梁，橫向角鐵梁可沿方鋼管上下移動調整位置，橫向角鐵梁上安裝有水平方向、用于放置被測機構的鋼板。

所述鋼框架的豎向方鋼管上開有豎向滑槽或設置若干豎向等間隔的螺栓孔，角鐵梁通過螺栓安裝于滑槽的不同高度處或不同高度的螺栓孔處。

所述鋼框架的豎向方鋼管的底部安裝有帶支承座的滑輪組。

一種并/混聯機構與機器人性能參數測試方法，基于如權利要求7所述的并/混聯機構與機器人性能參數測試系統(tǒng)完成，具體測試步驟如下：

編碼器的零點標定：每次運轉被測機構之前，必須對各拉繩編碼器進行零點標定，通過將測試平臺移動到零點位置，初始化各拉繩編碼器即可。

連接被測機構：將被測機構的末端執(zhí)行器與測試系統(tǒng)的測試平臺用螺栓連接；并將各拉繩編碼器的拉繩末端連接到測試平臺上；

運轉被測機構并記錄參數：打開測試軟件，開始周期性采集拉繩編碼器返回的脈沖數、伺服驅動器的電機位置以及電機力矩數據，并記錄到上位機文本進行保存；重復運轉被測機構，使被測機構遍歷所有可到達的位置；

換算分析被測機構的運動學即動力學性能：由測試系統(tǒng)輸出的運動軌跡集合為被測機構的工作空間，根據運動軌跡與動力學模型計算驅動關節(jié)力矩，并將計算所得的驅動關節(jié)力矩與實際采集的電機力矩進行對比，進而驗證動力學模型的正確性。

本發(fā)明采用6個拉繩編碼器，在不知機構運動學模型的基礎上可以準確繪制被測部件的運動位置以及姿態(tài)軌跡，具有如下有益效果：

本發(fā)明所述的并/混聯機構與機器人性能參數測試系統(tǒng)可對動平臺參考點的運動軌跡、位置和姿態(tài)、速度加速度、工作空間等運動性能進行測試。同時，本發(fā)明通過將6個編碼器成正六邊形布置，使測試系統(tǒng)呈全對稱結構，具有各向同性的良好性能，可有效保證測試精度；且因間距角度的一致性，方便了測試系統(tǒng)的運動學正解計算。

本發(fā)明所述的并/混聯機構與機器人性能參數測試系統(tǒng)可對不同構型的動平臺進行測試，如圖4、5所示的平面構型、空間構型。

本發(fā)明所述的并/混聯機構與機器人性能參數測試系統(tǒng)尺寸可調，可根據并/混聯機構的實際尺寸調節(jié)其角鐵梁的位置，從而調節(jié)放置并/混聯機構的鋼板的位置。

本發(fā)明所述的并/混聯機構與機器人性能參數測試系統(tǒng)的工作位置可變，需要改變其工作位置時可通過測試系統(tǒng)底部的滑輪組將其推到下一個工作地點，工作狀態(tài)時只需把支撐座擰出即可。

附圖說明

圖1為拉繩編碼器正運動學模型圖；

圖2為測試裝置的等效機構圖；

圖3為測試裝置和支撐平臺的連接示意圖；

圖4為伺服控制系統(tǒng)的結構示意圖；

圖5為測試裝置的結構示意圖；

圖6為空間并聯機構測試狀態(tài)示意圖；

圖7為平面并聯機構測試狀態(tài)示意圖；

圖8為本發(fā)明的測試原理。

圖中標號：1-鋼框架，2-六角平臺，3-m12×25六角螺絲，4-拉繩編碼器，5-m4×20內六角螺釘，6-滑輪座，7-滾動軸承、銷軸，8-m5×16內六角螺釘，9-測試平臺，10-角鐵梁，11-鋼板，12-m10×20內六角螺釘，13-滑輪組，14-m12×25六角螺絲，15-m10×20六角螺絲，16-端子接線板，17-m3×15內六角螺釘，18-電控箱體，19-m3×10內六角螺釘，20-伺服驅動器，21-工控機、22-被測機構。

具體實施方案

一種并/混聯機構與機器人性能參數測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括支撐平臺、測試裝置、上位機和伺服控制系統(tǒng)，測試裝置可拆卸安裝在支撐平臺上；

所述支撐平臺為立柱式鋼框架結構，鋼框架支撐平臺的頂部內側安裝有正六邊形六角平臺2，六角平臺2底部安裝有測試裝置，被測機構同時與測試裝置和伺服控制系統(tǒng)連接，伺服控制系統(tǒng)驅動控制被測機構的運動，測試裝置將被測機構的直線運動轉換為旋轉運動并通過測試裝置的驅動編碼功能將模擬量輸出，測試裝置的模擬量輸出通道與上位機連接。

所述支撐平臺的結構如圖3所示，是由方鋼管連接組成的鋼框架1，六角平臺2連接在鋼框架14頂部的方鋼管上，鋼框架1的豎向方鋼管上活動連接有兩根相互平行的橫向角鐵梁10，角鐵梁10上安裝有水平方向、用于放置被測機構的鋼板11；所述的測試裝置的結構如圖3所示，包括拉繩編碼器4、滑輪座6、滾動軸承7和測試平臺9。

其中，鋼框架1用于固定六角平臺2以及被測機構，所述六角平臺2通過六角螺栓3固定于剛框架1頂部，所述拉繩編碼器4通過m4×20內六角螺釘5固定于六角平臺2的六條邊的中點處，滑輪座6安裝在拉繩編碼器4拉繩的出口處，所述滾動軸承7安裝在滑輪座6上，起到對拉繩的導向作用。拉繩編碼器4的拉繩端部兩兩一組固定于所述測試平臺9的三個頂點處，測試平臺9與被測機構的末端執(zhí)行器固定在一起，測試平臺9隨被測機構的末端執(zhí)行器運動并拉動拉繩編碼器4的拉繩。所述角鐵梁10用于將所述鋼板11固定于鋼框架1上。所述鋼板11用于放置并固定被測機構。

所述的伺服控制系統(tǒng)如圖4所示，包括電控箱體18、伺服驅動器20和工控機21，伺服驅動器20和工控機21安裝于電控箱體18上，上位機（編碼器系統(tǒng)）、伺服驅動器20和工控機21通過端子接線板16與電控箱體18連接，伺服驅動器20的伺服電機是被測機構的驅動部件，驅動被測機構運動，電控箱體18通過伺服驅動器20、上位機分別控制被測機構的運動以及接收拉繩編碼器4的反饋結果。

被測機構通過螺栓固定在支撐平臺的鋼板11上，將測試系統(tǒng)的測試平臺通過螺栓固定于被測機構的末端執(zhí)行器上。6個拉繩編碼器4在六角平臺上按照正六邊形均布，相鄰兩個編碼器4的拉繩連接于測試平臺的一點。其中滾動軸承7安裝在拉繩編碼器4拉繩的出處，起到對拉繩的導向作用。

伺服電機編碼器、伺服驅動器和運動控制器負責控制并/混聯機構運動，拉繩編碼器4負責采集動平臺各點與拉繩編碼器4安裝位置的距離。

本發(fā)明的測試原理如圖8所示，電機運動數據通過讀伺服電機編碼器位置獲取、電機力矩通過伺服驅動器將力矩參數通過模擬量輸出通道發(fā)送給運動控制器模擬量輸入通道，然后經過上位機程序讀取模擬輸入通道數據。測試時，動平臺需和被檢測機構的移動平臺固定，動平臺隨之運動，同時拉動拉繩編碼器的拉繩，拉繩編碼器將直線運動轉換為旋轉運動，并將其參數變化以數字化的形式顯示出來。各拉繩長度通過編碼器發(fā)送給控制器的脈沖個數計算出來，根據各拉繩長度以及拉繩編碼器的安裝幾何位置關系計算動平臺上選取的參考點的運動軌跡、速度加速度、動平臺的位置和姿態(tài)。

拉繩編碼器正運動學求解方法：

對于拉繩編碼器系統(tǒng)運動學正解求解采用數值解方法，為提高求解速度首先要對非線性方程組采取降維運算。如圖1所示，考慮一個三棱錐i-bde，△bde為三棱錐的底面，i為三棱錐的頂點。建立連接于三棱錐上的坐標系b-x'y'z'，其中y'軸沿方向，z'軸垂直于底面△bde，而x'軸方向取決于矢量叉積。三棱錐的4個頂點坐標標示于圖1中，設3個棱邊的長分別為lbi,ldi,lei，由幾何關系可以建立如下方程：

(1)

根據方程式(1)可以解算出頂點坐標，再經坐標變換到基坐標系o-xyz下。

將測試裝置看成一個三角平臺并聯機構，其等效機構簡圖如圖2所示。

將該機構看成由三個三棱錐構成，即三棱錐i-bde、g-ifa和h-big。其中a、b、c、d、e、f六個點為編碼器安裝點，i、g、h為動平臺三個頂點，可通過三個三棱錐計算求得此機構的位置。在三棱錐i-bde中，b、d、e三點的坐標已知，lei，ldi是已知繩長，所以當給定頂點i的坐標時，lbi可以根據公式(1)求得。同樣，在三棱錐g-ifa中，f、a兩點坐標已知，i坐標已求得，因此g點坐標可以計算出，h點坐標可以在三菱錐h-big中求得。

這里僅b、i兩點的距離dbi未知，使用數值法求得dbi。由以上分析知：h、c兩點距離為dbi的函數，根據幾何關系可得如下方程：

(2)

方程式(2)僅為關于的一元非線性方程，因此不難用數值法求解。i點坐標求得后再返代回去求得g點和h點的坐標，此時可確定igh動平臺的位置。

軌跡即點在時間軸上的集合，通過將等時間間隔的以上位置姿態(tài)在時間軸上連接起來形成軌跡。采集軟件每隔一定時間（10ms可設）采集一次拉繩長度，計算一個動平臺位姿，將這些點連接起來形成軌跡。

具體的測試方法如下：

編碼器的零點標定：每次運轉被測機構之前，必須對各拉繩編碼器進行零點標定，通過將測試平臺移動到零點位置，初始化各拉繩編碼器即可。

連接被測機構：將被測機構的末端執(zhí)行器與測試系統(tǒng)的測試平臺用螺栓連接；并將各拉繩編碼器的拉繩末端連接到測試平臺上。

運轉被測機構并記錄參數：打開測試軟件或手動使被測機構在工作空間內移動，將被測并聯機構按照被測試的軌跡進行運動。上位機程序開始以100hz頻率周期性采集拉繩編碼器返回脈沖數（記錄六個編碼器位置）、伺服驅動器的電機位置以及電機力矩數據，并記錄到上位機文本進行保存；重復運轉被測機構，使被測機構遍歷所有可到達的位置；

換算分析被測機構的運動學即動力學性能：將返回的數據通過測試系統(tǒng)的位置正解計算被測機構的運動軌跡。由測試系統(tǒng)輸出的運動軌跡集合為被測機構的工作空間，根據運動軌跡與動力學模型計算驅動關節(jié)力矩，并將計算所得的驅動關節(jié)力矩與實際采集的電機力矩進行對比，進而驗證動力學模型的正確性。

由運動軌跡及動力學模型求解關節(jié)力矩軌跡就是動力學模型本身功能，屬于現有技術。動力學模型可以用一組簡潔矩陣形式的耦合方程表示（參考[澳]petercorke著，《robotics,visionandcontrol》第9章，springer出版。）

（3）

式中，分別是廣義的關節(jié)位置、速度和加速度矢量，m是關節(jié)空間慣量矩陣，c是科氏力和向心力耦合矩陣，f是摩擦力，g是重力負荷，q是廣義坐標q預定的廣義驅動力矢量。最后一項給出了施加在末端執(zhí)行器上的旋量g所產生的關節(jié)力，其中j是機器人的雅克比矩陣。該方程描述的就是機器人的動力學，也被稱為逆動力學--給定位姿、速度和加速度，計算所需的關節(jié)力或力矩。這些方程可以用任何經典動力學方程推導出來，例如：牛頓第二定律和歐拉運動方程，或者拉格朗日能量法。

最簡單的單軸機器人動力學模型：

根據動力學模型方程對實驗進行簡化。使用單軸旋轉模組帶動長連桿進行梯形速度曲線運動一周。旋轉模組水平放置，因此動力學模型中重力g矩陣等于零。由于末端不帶負載，因此最后一項等于0；因只有一個自由度科氏力以及向心力被軸承承載，因此c矩陣項等于0；動力學方程簡化為：

(4)

只有摩擦力和慣性矩兩項，而慣性矩在此為常量，既桿的轉動慣量，盡量增大連桿轉動慣量，動力學方程變?yōu)椋?/p>

(5)

式中，m為連桿的轉動慣量，f為粘性摩擦系數。

實驗方法：

采用單軸旋轉模組帶動長連桿以梯形加減速規(guī)劃運動一周。

進行數據采集。

根據采集到各點的運動軌跡，找出勻速段電機力矩，以及勻速v，計算粘性摩擦系數：

(6)

將運動軌跡中各點的速度以及加速度代入以上動力學模型，計算關節(jié)力矩q。

將計算出的關節(jié)力矩q與電機采集到的關節(jié)力矩q′進行對比。如果兩條力矩曲線在誤差允許內變化，說明此動力學模型正確。