一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统及测试方法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；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。本发明测试精度高、加载扭矩过程不引入其他附加力，根据机构反驱力矩大于自身摩擦力矩的特性自动识别反向驱动力矩。
【专利说明】一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统及测试方法
【技术领域】
[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。
【背景技术】
[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。
[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。
[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。
【发明内容】
[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。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] -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；
[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）。
[0009] 所述的柔性减速加载机构采用五级直齿传动减速器。
[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。
[0011] 一种基于测试系统的测试方法，包括步骤如下：
[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；
[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；
[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；
[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；
[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。
[0017] 本发明与现有技术相比有益效果为：
[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。
[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。
[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。
[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。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明系统结构图；
[0023] 图2为本发明模型图；
[0024] 图3为本发明柔性减速加载机构模型图；
[0025] 图4为本发明关节反驱力矩测试曲线图。
【具体实施方式】
[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。
[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；
[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）。
[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、 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。
[0030] 表1各级齿轮设计参数表
[0031]
【权利要求】
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。
2. 根据权利要求1所述的一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统，其特征在于：所述 的柔性减速加载机构采用五级直齿传动减速器。
3. 根据权利要求2所述的一种大型机械臂关节反驱力矩测试系统，其特征在于：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。
4. 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) 测试之前检查测试设备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。
【文档编号】G01L3/00GK104142196SQ201410353050
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】汪龙, 高鹏, 赖小明, 韩建超, 王凯 申请人:北京卫星制造厂