一种绳驱机械臂摩擦测量装置及方法

本发明涉及绳驱机械臂摩擦测量，特别涉及绳驱机械臂摩擦力矩测量装置及方法。

背景技术：

区别于传统的关节串联型机械臂，绳驱连续型机械臂具有灵活度高、避障能力强等优点，在狭小空间和复杂环境中运动和操作能力强，在航空航天制造、大型装备检测维护等领域具有重要的应用价值。

绳驱连续型机械臂通常由大量模块化关节组成，通过绳索实现驱动或联动。由于绳索实际使用需要在一定预紧力的作用下，因此绳驱连续型机械臂往往存在较大的关节摩擦及绳索摩擦，其极大地影响到机械臂的运动精度。同时，绳驱连续性机械臂结构紧凑，其关节摩擦及绳索摩擦在整臂的运动过程中测量难度极大，进而高精度的动力学建模及控制补偿无法实施。

由于现有技术仍缺乏有效的绳驱机械臂关节摩擦力矩及绳索摩擦测量方法以及相关的测量装置，绳驱连续型机械臂的运动控制精度难以得到有效提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种绳驱机械臂摩擦测量装置及方法，便于测量绳驱连续性机械臂的关节摩擦及绳索摩擦，提高绳驱连续型机械臂的运动控制精度。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种绳驱机械臂摩擦测量装置，包括臂杆夹具、拖拽测量框架；所述臂杆夹具用于固定一段臂杆；

所述拖拽测量框架包括：

导杆、托板、滚珠丝杆组件、缆索、拉力传感器、锁定球头；

所述导杆每端各与一个所述托板固定连接，所述托板设有滑轮组；

所述滚珠丝杆组件与所述托板固定连接，所述滚珠丝杆组件上设有缆索连接组件，所述缆索连接组件两端分别与一段所述缆索连接；

所述缆索绕过所述滑轮组与所述拉力传感器、所述锁定球头依次连接，可拖拽所述锁定球头移动；

所述锁定球头用于拖拽绳驱机械臂的待测部件；

所述滚珠丝杆组件用于驱动缆索连接组件平移并带动缆索实现准静态拖拽。

进一步地；

还包括气浮导轨；

所述导杆与气浮导轨所在直线相互垂直，所述托板悬浮在气浮导轨上并可沿气浮导轨滑动。

进一步地；

所述拖拽测量框架为两自由度拖拽测量框架；

所述两自由度拖拽测量框架包括上、下两层框架且所述上、下两层框架的组件组成相同。

进一步地；

还包括拖拽环；

所述上、下两层框架的导杆所在直线相互垂直；

所述拖拽环边缘与所述上、下两层框架的导杆活动连接，可沿导杆滑动；

所述锁定球头移动的方向与所述导杆所在直线方向平行；

所述上、下两层框架的锁定球头由外到内穿过同一个拖拽环，用于拖拽待测臂杆并使其轴心始终穿过拖拽环中心；

所述上、下两层框架为并联关系，可在两个自由度上相互拖拽。

进一步地；

所述锁定球头用于拖拽绳驱机械臂的绳索。

进一步地；

所述缆索连接组件包括依次连接的滑移缆索安装架、缆索安装环；

所述滑移缆索安装架设在所述滚珠丝杆组件上；

所述缆索安装环用于与缆索连接。

进一步地；

绳驱机械臂摩擦测量装置还包括连接件、横梁、立柱；

所述臂杆夹具设在所述横梁中间；

所述横梁与所述立柱通过所述连接件活动连接；

所述立柱固定在所述两自由度拖拽测量框架下方；

所述连接件用于调节所述臂杆夹具与所述两自由度拖拽测量框架的间距。

本发明还提出一种绳驱机械臂摩擦测量方法，包括如下步骤：

s1、通过臂杆夹具固定一段臂杆，

s2、将锁定球头与绳驱机械臂的待测部件连接；

s3、滚珠丝杆组件驱动缆索连接组件平移，并依次带动所述缆索连接组件两端的缆索、拉力传感器、所述锁定球头对所述待测部件实现准静态拖拽；

s4、根据所述拉力传感器测得的数值差计算绳驱机械臂摩擦的大小。

进一步地；

在所述步骤s2中，所述待测部件为另一段臂杆；

在所述步骤s4中，将所述拉力传感器测得的数值差与所述锁定球头拖拽力的力臂长度进行乘积，得到绳驱机械臂两段臂杆之间的关节摩擦力矩大小。

进一步地；

在所述步骤s2中，所述待测部件为所述臂杆上的绳索；

在所述步骤s4中，根据所述拉力传感器测得的数值差得到绳驱机械臂的绳索摩擦力大小。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出的绳驱机械臂摩擦测量装置及方法，通过在准静态运动下测量绳驱机械臂关节摩擦力矩及绳索摩擦的大小，有效解决了绳驱机械臂关节摩擦力矩及绳索摩擦无法测量的问题，为绳驱连续型机械臂的动力学参数辨识、运动控制算法设计、摩擦补偿提供了依据，有效提高了绳驱连续型机械臂的运动控制精度。

附图说明

图1a是本发明关节摩擦力矩测量方法原理的一个示意图；

图1b是本发明关节摩擦力矩测量方法原理的另一个示意图；

图2是本发明实施例的关节摩擦力矩测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的两自由度拖拽测量框架的结构示意图；

图4为本发明实施例的臂杆固定框架的结构示意图；

图5为本发明实施例的联动绳摩擦力测量装置的工作原理图；

图6为本发明实施例的联动绳摩擦力测量装置的结构示意图；

图7为本发明实施例的驱动绳过孔摩擦力测量装置的工作原理图；

图8为本发明实施例涉及的一种绳驱机械臂的臂杆实例示意图；

图9为现有的通用两自由度平台示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述。以下实施例仅用于更加清楚地表明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面分别对本发明的准静态关节摩擦测量原理、绳驱机械臂摩擦力矩测量装置组成和使用进行介绍。

1、准静态关节摩擦测量原理

由于绳驱连续型机械臂通常结构紧凑，且臂杆外侧缠绕着联动绳，使得难以直接测量其关节摩擦及联动绳索摩擦。因而，本发明采用滚珠丝杆机构带动臂杆旋转，使其处于准静态。

本发明的绳驱机械臂摩擦力矩测量原理，如图1a所示，以三段臂杆绕垂直纸面轴旋转为例，实际使用不局限于三段臂杆。将臂杆41固定；通过双球头51拖拽带动臂杆42绕臂杆关节m转动，转动角度为α，依据关节角度与滚珠丝杆单元位移的换算，实现臂杆42绕臂杆41的匀角速度转动，即处于准静态；此时，可以认为f’＝f2-f1；由于力臂长度l为定值，因此通过拉力传感器反馈回来的数值差f’*l可以表示合成摩擦力矩。图1b是绳驱机械臂摩擦力矩测量原理的另一个示意图，首先在竖直方向上固定臂杆41，然后通过双球头51准静态拖拽带动臂杆42绕臂杆关节m转动，通过拉力传感器反馈回来的数值差f’*l得到合成摩擦力矩。

本发明中测量装置的设计以专利号cn108942906a为对象，但不限于该对象。专利号cn108942906a中提出的两自由度绳驱连续型机械臂如图8所示，由臂杆及十字关节组成臂杆主体，通过关节之间的“小s”联动绳及“球面s”联动绳实现关节之间的分别绕x，y轴的等角度无耦合联动。

2、绳驱机械臂关节合成摩擦力矩测量

当两自由度绳驱机械臂同时产生绕x、绕y轴的转动时，除了关节摩擦力矩、联动绳摩擦外，还会存在联动绳在球面关节上较大的滑动摩擦。因此，在设计测量装置时，必须考虑两个自由度上的同时运动。测量装置要实现两个转动自由度上的测量，并且两个自由度上的被动拖拽不能相互影响，否则会导致力臂长度l的大小发生变化。

对于两自由度绳驱连续型机械臂，通用的两自由度平台，如图9所示，由于运动之间的串联关系，即两个自由度之间存在层级关系。无法实现对两自由度绳驱连续型机械臂两个自由度之间无耦合的拖拽运动。而本发明给出的两自由度拖拽测量框架3，如图3所示，在两个自由度上的组件为并联关系，可以相互拖拽。

本发明实施例的绳驱机械臂摩擦测量装置如图2所示，包括装置安装框架1、臂杆固定框架2和两自由度拖拽测量框架3。装置安装框架1、臂杆固定框架2和两自由度拖拽测量框架3的具体安装实施例如下。

两自由度拖拽测量框架3具体安装实施如图3所示，两自由度拖拽测量框架3主要由上、下两层托板组成，两层组件组成相同，实现不同自由度上的拖拽测量。其中上层托板由拖拽环31、锁定球头32、滑移缆索安装架33、缆索安装环34、钢丝缆索35、气浮导轨36、滚珠丝杆组件37、上托板38、拉力传感器39、导杆310、滑轮组311组成。其中气浮导轨36安装固联在装置安装框架1上，上托板38放置在气浮导轨36上。滚珠丝杆组件37安装在上托板38上，其中一个锁定球头的一端在拖拽环31内侧，锁定球头的另一端穿过拖拽环31与拉力传感器39的一端相连，钢丝缆索35的一端与拉力传感器39的另一端相连，钢丝缆索35的另一端绕过滑轮组311并通过缆索安装环34与滑移缆索安装架33的一端相连。在所述锁定球头所在直线上的另一个锁定球头通过相同的方式与滑移缆索安装架33的另一端相连，且两个锁定球头在拖拽环31内侧的一端并不相连。下层托板组件组成与上层托板相同，但两个锁定球头所在直线与上层托板两个锁定球头所在直线相互垂直且与上层托板两个锁定球头共同穿过同一个拖拽环，使被测量臂杆的轴心穿过拖拽环中心。通过上层托板的滚珠丝杆组件37驱动滑移缆索安装架33平移，滑移缆索安装架33带动钢丝缆索35绕过滑轮组311实现准静态臂杆拖拽使上层托板的锁定球头32沿导杆310移动，从而使臂杆42沿导杆310移动，与此同时，臂杆42通过下层托板的锁定球头带动下层托板进行同步移动，从而避免对另外一个自由度的运动及测量产生影响，通过拉力传感器39反馈回来的数值差与锁定球头32拖拽力的力臂长度进行乘积，计算出关节合成摩擦力矩。

臂杆固定框架2具体安装实施如图4所示，臂杆固定框架2包括横梁、臂杆夹具54、连接件。两根横梁53长度相同、互相平行，位于同一水平面。两根横梁53内侧一面的中部各有一个臂杆夹具54，用于固定臂杆。两根横梁53的两端与两根长度相同、互相平行的横梁52通过连接件55垂直连接，调节连接件55可以改变两根横梁53之间的距离，进而调节臂杆夹具54之间的距离。每根横梁52的两端通过连接件51分别与装置安装框架1的立柱61垂直连接，通过调节连接件51改变横梁52相对于顶部两自由度拖拽测量框架3之间的距离，可以方便的改变参与测量的臂杆段数。

装置安装框架1具体安装实施如图2和图4所示，装置安装框架1包括立柱61、横梁和连接件。四根立柱61通过连接件与臂杆固定框架2连接，四根立柱61顶端通过连接件与四根横梁固定连接，顶端的四根横梁组成口字结构，其中平行的一对横梁上方各叠加固定一根横梁使其高度增加。双层高度的横梁与两自由度拖拽测量框架3上层托板的气浮导轨36相连，单层横梁则与下层托板的气浮导轨相连。

本发明提供一种绳驱机械臂摩擦测量方法的实施例，包括如下步骤：

s1、通过臂杆夹具54固定一段臂杆；

s2、将锁定球头32与绳驱机械臂的另一段臂杆连接；

s3、滚珠丝杆组件37驱动缆索连接组件平移，并依次带动缆索连接组件两端的缆索、拉力传感器39、所述锁定球头32对待测部件实现准静态拖拽；

s4、根据拉力传感器39测得的数值差与锁定球头32拖拽力的力臂长度进行乘积，得到绳驱机械臂两段臂杆之间的关节摩擦力矩大小。

3、绳驱机械臂“球面s”联动绳摩擦测量

本发明所提出的测量装置，不仅可以测量关节合成摩擦力矩。同时还可以对其主要分量进行单独测量。例如“球面s”联动绳过线管的摩擦，该测量原理依旧采用准静态方式。图释：35钢丝缆索；37滚珠丝杆组件、39力矩传感器、311滑轮组、41待测臂杆、411“球面s”导管以及412“球面s”联动绳。本发明中待测臂杆实例见图8。如图6所示，拆下上托板、更换臂杆夹具即可方便地对“球面s”联动绳的导管摩擦进行测量。

本发明提供一种绳驱机械臂摩擦测量装置的实施例，如图6所示，该测量装置与上一个测量装置实施例的区别在于拆下两自由度拖拽测量框架3的上层托板和臂杆固定框架2，采用单层的拖拽测量框架4并采用另一种臂杆夹具，使臂杆41预固定在下层托板上，臂杆41的“球面s”联动绳412穿过“球面s”导管411的两端分别与一个拉力传感器39相连，拉力传感器39在下层托板中与其他部件的连接与关节合成摩擦力矩测量装置的实施例中下层托板的连接方式相同。调整臂杆41位置使“球面s”联动绳412与拉力传感器39所在直线与臂杆41轴心所在直线夹角相同。如图5所示，通过下层托板的滚珠丝杆组件37驱动滑移缆索安装架33平移，滑移缆索安装架33带动钢丝缆索35绕过滑轮组311实现准静态臂杆拖拽“球面s”联动绳412沿导杆310移动，即可方便地对“球面s”联动绳412的导管摩擦进行测量，并根据所述拉力传感器39测得的数值差计算出绳驱机械臂“球面s”联动绳的导管摩擦的大小。

本发明还提供一种绳驱机械臂摩擦测量方法的实施例，包括以下步骤：

s1、通过臂杆夹具54固定绳驱机械臂的臂杆，

s2、将锁定球头32与“球面s”联动绳412连接；

s3、滚珠丝杆组件37驱动缆索连接组件平移，并带动所述缆索连接组件两端的缆索、拉力传感器39、锁定球头32对“球面s”联动绳412实现准静态拖拽；

s4、根据拉力传感器39测得的数值差计算“球面s”联动绳412摩擦的大小。

4、绳驱机械臂驱动绳摩擦测量

同理，也可以对绳驱机械臂的驱动绳过孔摩擦力进行测量。

本发明提供一种绳驱机械臂摩擦测量装置的实施例，如图7所示，该测量装置与上一实施例的区别在于拉力传感器39与臂杆的驱动绳相连，通过下层托板的滚珠丝杆组件37驱动滑移缆索安装架33平移，滑移缆索安装架33带动钢丝缆索35绕过滑轮组311实现准静态臂杆拖拽联动绳412沿导杆310移动，即可方便地对驱动绳过孔摩擦力进行测量，并根据所述拉力传感器39测得的数值差计算出驱动绳过孔摩擦力的大小。

本发明还提供一种绳驱机械臂摩擦测量方法的实施例，包括以下步骤：

s1、通过臂杆夹具54固定绳驱机械臂的臂杆，

s2、将锁定球头32与驱动绳连接；

s3、滚珠丝杆组件37驱动缆索连接组件平移，并带动所述缆索连接组件两端的缆索、拉力传感器39、锁定球头32对驱动绳实现准静态拖拽；

s4、根据拉力传感器39测得的数值差计算驱动绳过孔摩擦力的大小。

本发明所述的机构实现方式及导轨形式不限于文中给出。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。