一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统及测试方法

1.一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统，其特征在于包括：反驱力矩加载把手、柔性减速加载机构、力矩传感器、数据处理模块；
机械臂关节通过力矩传感器连接到柔性减速加载机构的输出端；反驱力矩加载把手安装在柔性减速加载机构的输入端，用于驱动柔性减速加载机构给机械臂关节加载扭矩；力矩传感器用于读取机械臂关节上的加载扭矩，并将加载扭矩的信息传递到数据处理模块，用于绘制扭矩曲线；数据处理模块对接收到力矩传感器发送的加载扭矩信息进行模数转换，并根据加载扭矩信息绘制扭矩曲线，找到扭矩曲线的峰值，即为反向驱动力矩；
所述的柔性减速加载机构采用五级直齿传动减速器；
所述的五级直齿传动减速器中第一级直齿传动减速器到第五级直齿传动减速器的中心距分别为192.5毫米、152.5毫米、133.75毫米、121毫米、110毫米；第一级直齿传动减速器到第五级直齿传动减速器的模数分别为3.5、2.5、2.5、2、2；第一级直齿传动减速器到第五级直齿传动减速器的传动比分别为4.24、4.30、4.35、4.26、4.24。
2.一种基于权利要求1所述的测试系统的测试方法，其特征在于步骤如下：
(1)测试之前检查测试系统和待测试机械臂关节的状态良好；
(2)将机械臂关节与测试系统进行连接，调整机械臂关节位置保证机械臂关节输出轴与柔性减速加载机构输出轴的轴线在同一直线上；
(3)旋转反驱力矩加载把手，通过柔性减速加载机构给机械臂关节加载扭矩，并逐步增大力矩值使得机械臂关节反向驱动；
(4)力矩传感器读取机械臂关节上的加载扭矩，并传递给数据处理模块；
(5)数据处理模块对接收到力矩传感器发送的加载扭矩信息进行模数转换，并根据加载扭矩信息绘制扭矩曲线，找到扭矩曲线的峰值，即为反向驱动力矩。

一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统及测试方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统及测试方法，属于工程测试技术领域。\n背景技术\n[0002] 大型空间机械臂是深入开展载人航天活动必不可少的工具，是在轨支持、服务的一个关键设备，在空间站上承担着对接舱段转位、大型设备的搬运及辅助更换、空间站舱外状态监测与检查、支持航天员舱外活动等功能。大型空间机械臂由机械臂关节、末端执行器、臂杆等组成。机械臂关节主要完成产生与传递动力、位置感知、机械连接三大任务，是保证机械臂负载能力、运动精度等问题的关键，是大型空间机械臂的核心部件。\n[0003] 目前我国已经开展了空间机械臂的研制，为验证机械臂关节的实际性能与功能否满足执行空间任务的要求，需要在地面环境下对相关技术指标进行测试，其中大型机械臂关节的反驱力矩是一项重要的关节设计指标，在研制过程中必须对关节的反驱力矩进行测试。\n[0004] 由于机械臂关节具有传动链条复杂、加工装配精密、反驱力矩大等特点，使得一般的反驱力矩测试技术在应用中受到了多种制约，现有的反驱力矩测试方法精度较低、测试力矩范围小，难以满足大型机械臂关节反驱力矩的测试要求，因此必须开发一种新型高效的反驱力矩测试方法应用于关节的反驱力矩测试，机械臂关节具有传动链条复杂、加工装配精密、反驱力矩大等特点。\n发明内容\n[0005] 本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统及测试方法，用于解决大型、传动链条复杂、精密驱动机构反驱力矩准确测量的问题。\n[0006] 本发明的技术解决方案是：\n[0007] 一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统，包括反驱力矩加载把手、柔性减速加载机构、力矩传感器、数据处理模块；\n[0008] 机械臂关节通过力矩传感器连接到柔性减速加载机构的输出端；反驱力矩加载把手安装在柔性减速加载机构的输入端，用于驱动柔性减速加载机构给机械臂关节加载扭矩；力矩传感器用于读取机械臂关节上的加载扭矩，并将加载扭矩的信息传递到数据处理模块，用于绘制扭矩曲线；数据处理模块对接收到力矩传感器发送的加载扭矩信息进行模数转换，并根据加载扭矩信息绘制扭矩曲线，找到扭矩曲线的峰值，即为反向驱动力矩(当施加的扭矩足够驱动关节反驱时，关节开始反向驱动，由于机构反驱力矩大于自身摩擦力矩的特性，关节开始驱动后加载扭矩会瞬间下降，因此扭矩曲线的峰值即关节的反向驱动力矩)。\n[0009] 所述的柔性减速加载机构采用五级直齿传动减速器。\n[0010] 所述的五级直齿传动减速器中第一级直齿传动减速器到第一级直齿传动减速器的中心距分别为192.5毫米、152.5毫米、133.75毫米、121毫米、110毫米；第一级直齿传动减速器到第一级直齿传动减速器的模数分别为3.5、2.5、2.5、2、2；第一级直齿传动减速器到第一级直齿传动减速器的传动比分别为4.24、4.30、4.35、4.26、4.24。\n[0011] 一种基于测试系统的测试方法，包括步骤如下：\n[0012] (1)测试之前检查测试设备和待测试机械臂关节的状态良好；\n[0013] (2)将机械臂关节与测试系统进行连接，调整机械臂关节位置保证机械臂关节输出轴与柔性减速加载机构输出轴的轴线在同一直线上；\n[0014] (3)旋转反驱力矩加载把手，通过柔性减速加载机构给机械臂关节加载扭矩，并逐步增大力矩值使得机械臂关节反向驱动；\n[0015] (4)力矩传感器读取机械臂关节上的加载扭矩，并传递给数据处理模块；\n[0016] (5)数据处理模块对接收到力矩传感器发送的加载扭矩信息进行模数转换，并根据加载扭矩信息绘制扭矩曲线，找到扭矩曲线的峰值，即为反向驱动力矩。\n[0017] 本发明与现有技术相比有益效果为：\n[0018] (1)本发明通过五级直齿传动减速器控制反向力矩的加载，能够实现加载过程安全稳定，对机械臂关节施加的反向驱动力矩大小容易控制。\n[0019] (2)本发明对机械臂关节施加纯轴向反向驱动力矩，测试过程中不引入任何附加力或力矩，避免对机械臂关节的精密零件造成损伤。\n[0020] (3)本发明采用多级的柔性减速加载机构实现了弱刚性柔性减速加载机构，进而能够实现机械臂关节反驱力矩测试过程中避免反向驱动力矩对关节造成冲击。\n[0021] (4)本发明数据处理模块在测试过程中自动判别峰值为反向驱动力矩，能够自动识别机械臂关节被反向驱动状态时刻对应的反向驱动力矩，准确读取关节的反驱力矩。\n附图说明\n[0022] 图1为本发明系统结构图；\n[0023] 图2为本发明模型图；\n[0024] 图3为本发明柔性减速加载机构模型图；\n[0025] 图4为本发明关节反驱力矩测试曲线图。\n具体实施方式\n[0026] 下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程做进一步解释和说明。\n[0027] 如图1、2所示，本发明一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统，包括反驱力矩加载把手、柔性减速加载机构、力矩传感器、数据处理模块；\n[0028] 机械臂关节通过力矩传感器连接到柔性减速加载机构的输出端；反驱力矩加载把手安装在柔性减速加载机构的输入端，用于驱动柔性减速加载机构给机械臂关节加载扭矩；力矩传感器用于读取机械臂关节上的加载扭矩，并将加载扭矩的信息传递到数据处理模块，用于绘制扭矩曲线；数据处理模块对接收到力矩传感器发送的加载扭矩信息进行模数转换，并根据加载扭矩信息绘制扭矩曲线，找到扭矩曲线的峰值，即为反向驱动力矩(当施加的扭矩足够驱动关节反驱时，关节开始反向驱动，由于机构反驱力矩大于自身摩擦力矩的特性，关节开始驱动后加载扭矩会瞬间下降，因此扭矩曲线的峰值即关节的反向驱动力矩)。\n[0029] 如图3所示，柔性减速加载机构采用五级直齿传动减速器。级直齿传动减速器中第一级直齿传动减速器到第一级直齿传动减速器的中心距分别为192.5毫米、152.5毫米、\n133.75毫米、121毫米、110毫米；第一级直齿传动减速器到第一级直齿传动减速器的模数分别为3.5、2.5、2.5、2、2；第一级直齿传动减速器到第一级直齿传动减速器的传动比分别为\n4.24、4.30、4.35、4.26、4.24。\n[0030] 表1各级齿轮设计参数表\n[0031]\n[0032] 为了保证柔性增速机构平稳运行，对增速机构进行了效率优化设计，采取表1所列模数和传动比柔性增速机构效率最高。在强度符合的情况下，增大齿数，降低模数，可以增大效率。柔性增速机构最小效率点在节点后啮合的状态下，因此先确定大齿轮的齿数和模数，然后按照式(1)和式(2)确定各级传动比，最后确定小齿轮的齿数及其它参数。参数优化的约束条件为总的传动比不变，大齿轮的分度圆基本半径不变，各级齿轮副的中心距基本保持不变，各轴系的转动惯量不变。\n[0033]\n[0034]\n[0035] 式中：z—齿轮的齿数；α—齿轮的压力角；X—增速器总的传动比；k—表示齿轮级数，i1,i2,i3,i4,i5为各级齿轮传动比。\n[0036] 一种基于测试系统的测试方法，包括步骤如下：\n[0037] (1)测试之前检查测试设备和待测试机械臂关节的状态良好；\n[0038] (2)将机械臂关节与测试系统进行连接，调整机械臂关节位置保证机械臂关节输出轴与柔性减速加载机构输出轴的轴线在同一直线上；\n[0039] (3)旋转反驱力矩加载把手，通过柔性减速加载机构给机械臂关节加载扭矩，并逐步增大力矩值使得机械臂关节反向驱动；\n[0040] (4)力矩传感器读取机械臂关节上的加载扭矩，并传递给数据处理模块；\n[0041] (5)数据处理模块对接收到力矩传感器发送的加载扭矩信息进行模数转换，并根据加载扭矩信息绘制扭矩曲线，找到扭矩曲线的峰值，即为反向驱动力矩，如图4所示。\n[0042] 本发明未公开的部分为公知常识。