一种柔性软驱动传动性能测试平台的制作方法

本发明涉及一种柔性软驱动传动性能测试平台，是一种能够测试柔性软驱动装置传动力输出特性、运动输出特性及传动效率等传动性能的高度集成化的测试平台。

背景技术：

专利“柔性蠕动的管道机器人(ZL200810106352)”，提出了一种柔性软驱动装置，该装置可以在弯曲的状态下仍然能够实现螺旋传动功能。这种柔性软驱动具有广泛的应用前景，如在管道机器人应用、曲线运动传动应用等场合。该柔性软驱动装置虽然结构新颖，但是对其传动性能的研究尚处于起步阶段，关于这种柔性软驱动装置的传动性能的专用测试平台尚处空白，限制了对该柔性软驱动装置传动性能的进一步深入研究。

为了获取这种柔性软驱动装置的传动性能参数，以便深入开展其相关理论和方法的研究工作，有必要设计一种测试平台，通过实验来开展对这种柔性软驱动装置传动性能及传动参数进行测试，并通过实验评估设计参数及工作条件对对其传动效果的影响。本测试平台满足这一实际需求，并模拟了软驱动机构多种工作情况，设计了不同测试模块来实际测量软驱动装置传动过程中的各项工作参数，可满足对该装置的研究需求。

技术实现要素：

技术问题：柔性软驱动是一种结构新颖的传动装置，通过软轴的可变形特性，该装置实现了弯曲状态下的运动传递。但关于该传动机构的传动特性的测试平台尚处空白。本发明创造性地提出了一种柔性软驱动传动性能测试平台。该测试平台能够测量柔性软驱动机构动力输出特性、运动输出特性及传动效率，可满足对该类机构的传动性能的评估测试。

技术方案：一种柔性软驱动传动性能测试平台，本测试平台主要包括机架(1)、柔性软驱动主体(2)、同步传动装置(3)、动力系统(4)、直线轨迹行程导引及测量模块(5)、弯曲轨迹行程导引及测量模块(6)六个部分。

机架(1)主要包括支撑板a(101)、支撑板b(102)、支撑板c(103)、底座a(104)、底座b(105)、支脚(106)及主安装座(107)。底座a(104)上开设有两条平行导向槽a(108)，支撑板b(102)及支撑板c(103)分别嵌入在导向槽a(108)内，并通过支脚(106)与底座a(104)固连；底座b(105)上开设有导向槽b(109)，支撑板a(101)嵌入在导向槽b(109)内并通过支脚(106)与底座b(105)固连；底座a(104)和底座b(105)通过螺栓固定在主安装座(107)上。

柔性软驱动主体(2)主要包括软轴螺旋传动装置(2X)、编码器支架a(204)、小型编码器(206)、轴承a(207)、轴承盖a(208)、轴承盖b(203)、轴承b(215)、弹簧座(209)、滑环(214)。软轴螺旋传动装置(2X)由软轴(201)、螺母(202)、滚子(212)、挡盖(213)组成；螺母(202)一端开有键槽(216)；滚子(212)与小型轴承(211)配合后安装于螺母(202)孔中，滚子(212)一端突出螺母(202)外表面，一端突出螺母(202)内表面。软轴(201)穿过螺母(202)并与滚子(212)啮合构成螺旋传动。小型编码器(206)外壳通过编码器支架a(204)固定在软轴螺旋传动装置(2X)的螺母(202)上。小型编码器(206)的信号输出线缆(205)与滑环(214)连接。滑环(214)由固定片(214a)、转动片(214b)组成；固定片(214a)与转动片(214b)之间通过滑动金属触点(214c)进行电气连接。滑环的固定片(214a)与机架的支撑板c(103)固连，转动片(214b)与螺母(202)固连。

同步传动装置(3)主要包括涨紧轮调节螺栓(301)、大同步带轮(302)、涨紧轮(303)、涨紧轮盒(304)、调节滑块(305)、小同步带轮(306)、同步带a(307)。涨紧轮盒(304)利用螺栓固定在支撑板c(103)上。调节滑块(305)可以沿张紧轮盒(304)长度方向移动，其移动距离由涨紧轮调节螺栓(301)控制。

动力系统(4)主要包括编码器b(401)、编码器支架b(402)、电机(403)、联轴器a(404)、扭矩传感器(405)、扭矩传感器支架(406)、联轴器b(407)、轴承c(408)、轴承盖c(409)、传动轴(410)。

直线轨迹行程导引及测量模块(5)包括皮带夹a(501)、带轮(502)、带轮支架(503)、支架座(504)、编码器c(505)、编码器支架c(506)、摩擦块(507)、直线导轨(508)、钢轴(509)、同步带b(510)、导轨支架(511)、皮带夹b(512)、直线轴承(513)、滑块(514)、力传感器a(515)。

弯曲轨迹行程导引及测量模块(6)包括固定支架(601)、摩擦片(602)、压片(603)、旋转滑块(604)、编码器支架d(605)、编码器d(606)、悬臂(607)、力传感器b(608)。

有益效果：通过上述设计方案，本发明具有以下有益效果：

1、模拟多种工况。本发明测试平台的设计全面考虑了柔性软驱动在实际运作时可能遇到的多种情况，其主要包括柔性软驱动不同运动轨迹(如直线运动轨迹及不同曲率半径运动轨迹条件下)及不同负载条件下的动力输出特性、运动传递特性、传动效率。。

2、结构简单，可测试参数多。本发明测试平台通过简单的机械结构直接或间接获得软驱动机构驱动性能的相关大量数据；利用多个小型旋转编码器同时测量滚动螺母体中不同位置的滚子的转速，从而间接推导出滚子在柔性软驱动工作时的运动状态，有助于探究柔性软驱动力传递机理，从而了解滚子在不同驱动力矩作用下打滑或是阻塞对传动效率的影响。螺母转动时小型编码器随同一起转动会发生信号线和电源线甩线的现象，为了避免这种情况的产生，设计了带有11路引线的滑环。该滑环不仅质量轻薄，而且成本较低，在轴向空间狭小且中空的环境下有不可替代的作用。机架的设计采用了多个支撑板件通过支脚拼接的方法，配合套筒的使用，可以适用于不同规格的软驱动系统的测试。

附图说明

图1为本发明柔性软驱动传动性能测试平台整体结构示意图。

图2为本发明柔性软驱动传动性能测试平台机架结构示意图。

图3为本发明柔性软驱动传动性能测试平台柔性软驱动主体剖视图。

图4为本发明柔性软驱动传动性能测试平台软轴螺旋传动装置示意图。

图5为本发明柔性软驱动传动性能测试平台软轴螺旋传动装置滚子结构示意图。

图6为本发明柔性软驱动传动性能测试平台的同步传动装置示意图。

图7为本发明柔性软驱动传动性能测试平台的动力系统组成示意图。

图8为本发明柔性软驱动传动性能测试平台的直线轨迹行程导引及测量模块示意图。

图9为本发明柔性软驱动传动性能测试平台的弯曲轨迹行程导引及测量模块示意图。

图10为本发明柔性软驱动传动性能测试平台的直线轨迹测试示意图。

图11为本发明柔性软驱动传动性能测试平台的弯曲轨迹测试示意图。

图中有1.机架、2.柔性软驱动主体、3.同步传动装置、4.动力系统、5.直线轨迹行程导引及测量模块、6.弯曲轨迹行程导引及测量模块；101.支撑板a、102.支撑板b、103.支撑板c、104.底座a、105.底座b、106.支脚、107.主安装座、108.导向槽a、109.导向槽b；2X.软轴螺旋传动装置、201.软轴、202.螺母、203.轴承盖b、204.编码器支架a、205.信号输出线缆、206.小型编码器、207.轴承a、208.轴承盖a、209.弹簧座、210.小弹簧、211.小型轴承、212.滚子、213.挡盖、214.滑环、214a.固定片、214b.转动片、214c.滑动金属触点、215.轴承b、216.键槽、217.挡圈；301、张紧轮调节螺栓、302.大同步带轮、303.涨紧轮、304.涨紧轮盒、305.调节滑块、306.小同步带轮、307.同步带a；401.编码器b、402.编码器支架b、403.电机、404.联轴器a、405.扭矩传感器、406.扭矩传感器支架、407.联轴器b、408.轴承c、409.轴承盖c、410.传动轴；501.皮带夹a、502.带轮、503.带轮支架、504.支架座、505.编码器c、506.编码器支架c、507.摩擦块、508.直线导轨、509.钢轴、510.同步带b、511.导轨支架、512.皮带夹b、513.直线轴承、514.滑块、515.力传感器a；601.固定支架、602.摩擦片、603.压片、604.旋转滑块、605.编码器支架d、606.编码器d、607.悬臂、608.力传感器b。

具体实施方式

如图1所示的柔性软驱动传动性能测试平台主要用于柔性软驱动机构传动力输出特性、运动输出特性及传动效率等传动性能测试。本柔性软轴驱动性能测试平台由机架1、柔性软驱动主体2、同步传动装置3、动力系统4、直线轨迹行程导引及测量模块5、弯曲轨迹行程导引及测量模块6六个部分组成。

如图2所示的机架主要包括支撑板a(101)、支撑板b(102)、支撑板c(103)、底座a(104)、底座b(105)、支脚(106)及主安装座(107)。底座a(104)上开设有两条平行导向槽a(108)，支撑板b(102)及支撑板c(103)嵌入在导向槽a(108)内，并通过支脚(106)与底座a(104)固连。底座b(105)上开设有导向槽b(109)，支撑板a(101)嵌入在导向槽b(109)内并通过支脚(104)与底座b(105)固连。底座a(104)和底座b(105)通过螺栓固定在主安装座(107)上。

图3、图4、图5反映的是柔性软驱动主体(2)。柔性软驱动主体(2)主要包括软轴螺旋传动装置(2X)、编码器支架a(204)、小型编码器(206)、轴承a(207)、轴承盖a(208)、轴承盖b(203)、轴承b(215)、弹簧座(209)、滑环(214)。其中软轴螺旋传动装置(2X)由软轴(201)、螺母(202)、滚子(212)、挡盖(213)组成；螺母(202)一端开有键槽(216)；滚子(212)与小型轴承(211)配合后安装于螺母(202)孔中，其一端突出螺母(202)外表面，一端突出螺母(202)内表面。软轴(201)一端安装有弹簧座(209)，另一端则穿过螺母(202)与滚子(212)形成螺旋传动。编码器支架a(204)固定在软轴螺旋传动装置(2X)的螺母(202)上；滑环(214)由固定片(214a)、转动片(214b)组成；滑环的固定片(214a)与机架的支撑板c(103)固连，转动片(214b)与螺母(202)固连，固定片(214a)与转动片(214b)之间通过滑动金属触点(214c)进行电气连接。小型编码器(206)外壳通过编码器支架a(204)固定在软轴螺旋传动装置(2X)的螺母(202)上；小型编码器(206)的输入轴与突出螺母(202)表面的滚子(212)一端固连；小型编码器(206)的信号输出线缆(205)与滑环(214)的转动片(214b)连接。

如图1及图3所示，轴承a(207)与轴承b(215)内圈分别安装于软轴螺旋传动装置(2X)的螺母(202)两端。轴承a(207)与轴承b(215)外圈分别安装于支撑板b102、支撑板c103；轴承盖a(208)、轴承盖b(203)则穿过螺母(202)分别与支撑板b(102)和支撑板c(103)固定，实现对轴承a(207)与轴承b(215)的轴向固定。

图6反映的是同步传动装置(3)。同步传动装置(3)包括张紧轮调节螺栓(301)、大同步带轮(302)、涨紧轮(303)、涨紧轮盒(304)、调节滑块(305)、小同步带轮(306)、同步带a(307)。同步带a(307)与大同步带轮(302)、小同步带轮(306)构成同步带传动系统。涨紧轮(303)安装在调节滑块(305)上，并可相对调节滑块(305)转动。调节滑块(305)安装在涨紧轮盒(304)内部，并可以沿张紧轮盒(304)长度方向移动，其移动距离由涨紧轮调节螺栓(301)控制，涨紧轮盒(304)则固定于支撑板a(101)上；通过调节滑块(305)的运动可实现对同步带传动系统的涨紧。

如图6所示大同步带轮(302)与螺母(202)通过键槽(216)实现周向固连，小同步带轮(306)则与传动轴(410)固连。

图7反映的是动力系统(4)，主要包括编码器b(401)、编码器支架b(402)、电机(403)、联轴器a(404)、扭矩传感器(405)、扭矩传感器支架(406)、联轴器b(407)、轴承c(408)、轴承盖c(409)、传动轴(410)。编码器b(401)外壳通过编码器支架b(402)固定于电机(403)外壳上，编码器b(401)输入轴则与电机(403)转轴连接。扭矩传感器(405)的输入轴通过联轴器a(404)与电机(403)输出轴连接，扭矩传感器(405)的输出轴则通过联轴器b(407)与传动轴(410)连接。

如图1所示电机(403)通过支撑板a(101)固定在底座b(105)上，扭矩传感器(405)通过扭矩传感器支架(406)固定在主安装座(107)上。传动轴(410)则通过轴承c(408)和轴承盖c(409)与支撑板c(103)实现径向固定。

图8所示的是直线轨迹行程导引及测量模块(5)，主要包括皮带夹a(501)、带轮(502)、带轮支架(503)、支架座(504)、编码器c(505)、编码器支架c(506)、摩擦块(507)、直线导轨(508)、钢轴(509)、同步带b(510)、导轨支架(511)、皮带夹b(512)、直线轴承(513)、滑块(514)、力传感器a(515)。带轮(502)安装在带轮支架(503)上并构成转动连接。编码器c(505)外壳通过编码器支架c(506)与带轮支架(503)固连，编码器c(505)的输入轴则与带轮(502)固连。带轮支架(503)通过支架座(504)固定于主安装座(107)上。直线导轨(508)一端固定于带轮支架(503)上，另一端则通过导轨支架(511)固定于主安装座(107)上。直线轴承(513)与导轨(508)形成滑动连接，直线轴承(513)上安装有滑块(514)。钢轴(509)穿过滑块(514)与带轮支架(503)固连。同步带b(510)与带轮(502)啮合，同步带b(510)一端与皮带夹a(501)固连，另一端与皮带夹b(512)固连；皮带夹b(512)则与滑块(514)固连。力传感器a(515)一端与滑块(514)固连，另一端则与弹簧座(209)固连。

图9反映的是弯曲轨迹行程导引及测量模块(6)，包括固定支架(601)、摩擦片(602)、压片(603)、旋转滑块(604)、编码器支架d(605)、编码器d(606)、悬臂(607)、力传感器b(608)。固定支架(601)通过螺栓与主安装座(107)固连，悬臂(607)一端通过旋转滑块(604)与固定支架(601)旋转连接，悬臂(607)另一端则安装有力传感器b(608)；编码器d(606)外壳通过编码器支架d(605)与旋转滑块(604)连接，编码器d(606)输入轴与固定支架(601)连接。摩擦片(602)与压片(603)固定于固定支架(601)与旋转滑块(604)之间，摩擦片(602)可在压片(603)的推动下沿固定支架(601)轴线移动并压紧旋转滑块(604)，提高悬臂(607)与固定支架(601)间的摩擦力。悬臂(607)可绕固定支架(601)轴线转动，从而带动编码器d(606)外壳转动，从而实现对悬臂(607)相对于固定支架(601)转动角度的测量。

柔性软驱动传动性能测试平台的具体测试过程描述如下：

如图10所示，在直线运动轨迹测试模式下，皮带夹a(501)下挂载有负载，负载通过同步带b(510)、皮带夹b(512)及力传感器a(515)作用于软轴(201)。测试平台启动后，动力系统(4)通过同步传动装置(3)带动柔性软驱动主体(2)的螺母(202)旋转，螺母(202)的旋转带动滚子(212)转动，由于滚子(212)与软轴(201)构成螺旋传动，则软轴(201)在滚子(212)的推动下拖动负载沿直线导轨(508)运动。运动过程中，软轴(201)输出的力通过力传感器a(515)测量，软轴(201)的移动速度则通过同步带b(510)与带轮(502)的啮合传动带动编码器c(505)输入轴转动测得。在直线运动过程中，滚子(212)相对于螺母(202)的转动速度则通过小型编码器(206)测量得到，由于小型编码器(206)在测量过程中随螺母(202)一起转动，所以其信号的传递通过滑环(214)实现。对于螺母(202)的转动速度，则通过动力系统(4)中的编码器b(401)测量并经过计算得到。螺母(202)的驱动扭矩通过扭矩传感器(405)测量电机(403)的输出力矩计算而得。

如图11所示，在曲线运动轨迹测试模式下，软轴(201)一端通过弹簧座(209)与安装于悬臂(607)的力传感器b(608)连接。测试平台启动后，动力系统(4)通过同步传动装置(3)带动柔性软驱动主体(2)的螺母(202)旋转，螺母(202)的旋转带动滚子(212)转动，由于滚子(212)与软轴(201)构成螺旋传动，则软轴(201)将推动悬臂(607)绕固定支架(601)轴线旋转，从而实现软轴(202)的曲线传动。运动过程中，软轴(201)输出的力通过力传感器b(608)测量，软轴(201)末端的移动位移及速度则通过与悬臂(607)连接的编码器d(606)测得；与直线轨迹测试类似，在曲线运动过程中，滚子(212)相对于螺母(202)的转动速度则通过小型编码器(206)测量得到；对于螺母(202)的转动速度，则通过动力系统(4)中的编码器b(401)测量并经过计算得到。