本发明专利技术公开了面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，包括模拟风场调整机构、后轮驱动移动机构和测试切换机构。模拟风场调整机构包括结构相同且彼此相互转动的上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置，上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均设有角度可调的管道鼓风机，管道鼓风机所产生的层流风场耦合形成瑞流风场；测试切换机构包括二轴测试平台、六轴测试平台和用于实现二轴测试平台与六轴测试平台平稳切换的双滑块结构，风驱动机器人安装于测试切换机构上。本模拟风场实验测试装置能够实现风驱动机器人静态稳定性测试和运动特性测试，有效缩短风驱动机器人的研发周期和实验成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种实验测试装置，尤其是面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置。
技术介绍
极地蕴藏着巨量的自然、科学资源。然而，极地地区环境十分恶劣，高寒低氧、极端天气等条件下，科考人员的生命随时都可能受到威胁，这极大地制约着人类科学考察活动的开展。而随着极地研究规模和机器人运用技术的发展，智能机器人逐渐代替科学家来承担更多的科学研究任务，在极地地区进行观测、巡游、采样和分析。在南极，风力资源十分丰富，具有分布范围广、平均风速高(最大风速能达160km/h)等特点。如果采用南极自然环境中，可以说是“取之不尽，用之不竭”的风能作为驱动能源，机器人的活动将不再受能源因素的制约，从而大大扩大活动范围和活动时间，甚至可以实现机器人在冰盖中的“无限”续航探测。该类机器人的特点是完全由风力提供动力，因此为研究出能够在极地执行巡航探测任务的机器人，必须设计针对风驱动机器人的专用测试装置来模拟外部真实风场，从而减少机器人进行实地实验的难度和成本。而目前的模拟外部真实风场的装置难以满足科研需要。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本实专利技术提出了一种面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置。本模拟风场实验测试装置能够实现风驱动机器人静态稳定性测试和运动特性测试，有效缩短风驱动机器人的研发周期和实验成本。本专利技术采用如下技术方案：面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，包括用于模拟风场可调的模拟风场调整机构、用于实现动态风场的后轮驱动移动机构和用于实现风驱动机器人的二轴测试和六轴测试的测试切换机构；所述模拟风场调整机构包括结构相同且彼此相互转动的上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置，上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均设有角度可调的管道鼓风机，管道鼓风机所产生的层流风场耦合形成瑞流风场；所述测试切换机构包括二轴测试平台、六轴测试平台和用于实现二轴测试平台与六轴测试平台平稳切换的双滑块结构，风驱动机器人安装于测试切换机构上。所述上层模拟风场调整装置包括上层机架驱动电机、上层机架，所述下层模拟风场调整装置包括下层驱动电机、下层机架；下层驱动电机驱动下层机架的主动齿轮转动，主动齿轮啮合有从动齿轮，从动齿轮带动下层机架转动，实现下层流风场相对于后轮驱动移动机构运动；上层机架驱动电机安装于下层机架上，上层机架驱动电机驱动上层机架主动齿轮转动，主动齿轮啮合有从动齿轮，从动齿轮带动上层机架转动，实现上层流风场与下层流风场间的相互运动。所述上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均包括下层驱动电机、下层机架、X方向调整装置、Z1方向调整装置、Z2方向调整装置、滑块摇杆机构；所述X方向调整装置包括X方向单轴机器人，X方向单轴机器人安装在上层机架或下层机架的一端，X方向单轴机器人连接有X方向滑架并驱动其沿X方向滑动；所述Z1方向调整装置包括安装于X方向滑架上的Z1方向安装板，Z1方向安装板安装有Z1方向单轴机器人，Z1方向单轴机器人连接有Z1方向滑架并驱动其沿Z1方向滑动；所述Z2方向调整装置包括安装于Z1方向滑架上的Z2方向安装板，Z2方向安装板安装有Z2方向单轴机器人；所述滑块摇杆机构包括连杆、固定在连杆顶端的关节轴承、导向轴、安装有管道鼓风机的鼓风机安装板，Z2方向单轴机器人连接连杆并驱动连杆沿Z方向移动，导向轴一端活动连接在关节轴承的轴承孔内，另一端与鼓风机安装板固定连接，鼓风机安装板与Z1方向滑架通过转动销相连。所述关节轴承与导向轴间将发生相互移动和转动，从而控制鼓风机安装板相对于Z1方向滑架转动到指定角度，管道鼓风机随鼓风机安装板的运动而改变空间位姿。所述管道鼓风机通过鼓风机安装板上的安装槽及肘夹固定于鼓风机安装板上，管道鼓风机的法兰与安装槽配合使管道鼓风机的自动定心及轴向基准定位；所述肘夹有三个，三个肘夹沿周向45°均布管道鼓风机四周，约束其周向位移和径向转动。所述上层机架或下层机架的另一端设有平衡块驱动机器人，平衡块驱动机器人连接平衡块并驱动其沿X方向滑动，平衡块为管道鼓风机提供平衡力矩。所述后轮驱动移动机构包括车轮、底座、转动轴承、车轮连接块；车轮的轮轴与转动轴承实现轴孔连接，转动轴承固定于车轮连接块上，车轮连接块通过螺钉旋配方式与底座固定，车轮相对于底座可绕各自轮轴轴线进行转动，实现测试装置的轮式移动；所述车轮中后轮的轮轴通过轮轴联轴器与后轮转动电机连接，传递后轮转动电机的输出扭矩和运动，通过后轮差速控制实现后轮驱动移动机构的直线运动和转弯运动。所述测试切换机构包括双滑块机构、二轴测试平台和六轴测试平台以及固定轮系传动机构；所述测试切换机构左右两侧均包含两个双滑块机构，双滑块机构的从动滑块分别与二轴测试平台和六轴测试平台固定连接，双滑块机构连接有同一驱动滑块并由其带动；所述驱动滑块与固定轮系传动机构连接并输出固定轮系传动机构的运动和转矩，传递至从动滑块从而实现二轴测试平台与六轴测试平台沿z方向反向运动，即当二(六)轴测试平台连续上升时，六(二)轴测试平台连续下降。所述测试切换机构包括风向风速仪，风向风速仪采用快拆式柱塞结构安装于测试切换机构上，检测模拟风场位置调整时风驱动机器人安装处的风速风向。所述固定轮系传动机构包括主动齿轮，主动齿轮连接切换机构转动电机；所述主动齿轮左侧依次设有相互啮合的左侧惰轮、左侧从动齿轮，主动齿轮右侧依次设有相互啮合的右侧惰轮、反向惰轮、右侧从动齿轮；所述左侧从动齿轮、右侧从动齿轮分别连接从动滑块。所述上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置所产生的层流风场风向与水平面平行时，俯仰角θ为0，绕x轴顺时针转动为正；对应Z2方向单轴机器人的位移为0，沿z轴正方向为正，鼓风机安装板的中心轴与导向轴的中心轴距离为lw＝136mm，则层流风场俯仰角与Z2方向单轴机器人的位移关系如下所述切换机构转动电机输出角为零时，二轴测试平台与六轴测试平台处于同一平面时，初始位移二轴测试平台的位移ztwo和六轴测试平台的位移zsix满足：ztwo＝zsix＝0；切换机构转动电机输出角绕y轴顺时针转动为正，二轴测试平台和六轴测试平台的位移沿z轴正方向为正；根据齿轮传动运动学关系可知如下关系式其中，αt：切换机构转动电机输出角，αtf：左侧从动齿轮转动角，ztwo：两轴测试平台位移，zsix：六轴测试平台位移，Z1：测试机构主动齿轮齿数，Z2：左侧惰轮齿数，Z3：左侧从动齿轮轴齿数；根据式(4-2)可得对双滑块机构的几何运动学关系分析可得二轴测试平台和六轴测试平台的位移与左侧从动齿轮转角关系ztwo＝l23·sinαtf(4-4)zsix＝-l63·sinαtf(4-5)二轴测试平台与六轴测试平台随时间呈正弦变化。所述对于测试切换机构，切换机构驱动电机进行正弦输入，可表示为αt＝50sint(4-6)层流风场俯仰角与Z2方向单轴机器人位移呈线性变化。采用如上技术方案取得的有益技术效果为：模拟风场调整机构包括结构相同且彼此相互转动的上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置，上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均设有角度可调的管道鼓风机，管道鼓风机所产生的层流风场耦合形成瑞流风场，模拟复杂的自然风，以满足实验测试条件。测试切换机构包括二轴测试平台、六轴测试平台，两者能平稳切换，满足实验测试需求。本文档来自技高网...
【技术保护点】
面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，其特征在于，包括用于模拟风场可调的模拟风场调整机构、用于实现动态风场的后轮驱动移动机构(1)和用于实现风驱动机器人的二轴测试和六轴测试的测试切换机构(5)；所述模拟风场调整机构包括结构相同且彼此相互转动的上层模拟风场调整装置(2)、下层模拟风场调整装置，上层模拟风场调整装置(2)、下层模拟风场调整装置(3)均设有角度可调的管道鼓风机(9)，管道鼓风机(9)所产生的层流风场耦合形成瑞流风场；所述测试切换机构(5)包括二轴测试平台(26)、六轴测试平台(27)和用于实现二轴测试平台(26)与六轴测试平台(27)平稳切换的双滑块结构，风驱动机器人安装于测试切换机构(5)上。
【技术特征摘要】
1.面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，其特征在于，包括用于模拟风场可调的模拟风场调整机构、用于实现动态风场的后轮驱动移动机构(1)和用于实现风驱动机器人的二轴测试和六轴测试的测试切换机构(5)；所述模拟风场调整机构包括结构相同且彼此相互转动的上层模拟风场调整装置(2)、下层模拟风场调整装置，上层模拟风场调整装置(2)、下层模拟风场调整装置(3)均设有角度可调的管道鼓风机(9)，管道鼓风机(9)所产生的层流风场耦合形成瑞流风场；所述测试切换机构(5)包括二轴测试平台(26)、六轴测试平台(27)和用于实现二轴测试平台(26)与六轴测试平台(27)平稳切换的双滑块结构，风驱动机器人安装于测试切换机构(5)上。2.根据权利要求1所述的面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，其特征在于，所述上层模拟风场调整装置(2)包括上层机架驱动电机(23)、上层机架(6)，所述下层模拟风场调整装置(3)包括下层机架驱动电机(21)、下层机架；下层机架驱动电机(21)驱动下层机架主动齿轮(22)转动，下层机架主动齿轮(22)啮合有从动齿轮，从动齿轮带动下层机架转动，实现下层流风场相对于后轮驱动移动机构(1)运动；上层机架驱动电机(23)安装于下层机架上，上层机架驱动电机(23)驱动上层机架主动齿轮(24)转动，上层机架主动齿轮(24)啮合有从动齿轮，从动齿轮带动上层机架(6)转动，实现上层流风场与下层流风场间的相互运动。3.根据权利要求2所述的面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，其特征在于，所述上层模拟风场调整装置(2)、下层模拟风场调整装置(3)均包括X方向调整装置、Z1方向调整装置、Z2方向调整装置、滑块摇杆机构；所述X方向调整装置包括X方向单轴机器人(11)，X方向单轴机器人(11)安装在上层机架(6)或下层机架的一端，X方向单轴机器人(11)连接有X方向滑架(12)并驱动其沿X方向滑动；所述Z1方向调整装置包括安装于X方向滑架上的Z1方向安装板，Z1方向安装板安装有Z1方向单轴机器人(13)，Z1方向单轴机器人(13)连接有Z1方向滑架(15)并驱动其沿Z1方向滑动；所述Z2方向调整装置包括安装于Z1方向滑架(15)上的Z2方向安装板(19)，Z2方向安装板(19)安装有Z2方向单轴机器人(20)；所述滑块摇杆机构包括连杆(14)、固定在连杆(14)顶端的关节轴承(18)、导向轴(17)、安装有管道鼓风机(9)的鼓风机安装板(16)，Z2方向单轴机器人(20)连接连杆(14)并驱动连杆(14)沿Z方向移动，导向轴(17)一端活动连接在关节轴承(18)的轴承孔内，另一端与鼓风机安装板(16)固定连接，鼓风机安装板(16)与Z1方向滑架(15)通过转动销相连。4.根据权利要求3所述的面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，其特征在于，所述关节轴承(18)、导向轴(17)间将发生相互移动和...
【专利技术属性】
技术研发人员：王兆艳，刘军，
申请(专利权)人：济宁学院，
类型：发明
国别省市：山东;37
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