一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统及标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统及标定方法。其中标定测试系统可按标定应用场景需求进行组合配套，包括可移动底座模块、导轨滑块模块、固定座模块、滑动座模块、磁滞力矩加载器模块、标准扭矩传感器模块、待标定谐波柔轮扭矩传感器模块、砝码加载臂模块、电机模块及刹车制动模块；本发明专利技术公开的标定方法为一套完整的谐波柔轮扭矩传感器的静态标定和动态验证流程。通过此标定系统可进行谐波柔轮扭矩传感器的静态标定和动态验证。本发明专利技术操作简单方便，标定数据的采集处理可自动完成，减少了人为因素的影响，提高了标定结果的准确性，使扭矩标定简单易行，降低了标定成本，提高了标定效率和精度。提高了标定效率和精度。提高了标定效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统及标定方法


[0001]本专利技术涉及机器人传感器测量
，尤其涉及一种用于谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统及标定方法。

技术介绍

[0002]随着协作机器人技术的发展和人机交互性能要求的提高，协作机器人通常需具备力控功能。目前解决力控的方式通常有三种：
[0003]一种是利用电机的电流反馈来进行力矩估算，此方式误差大、解算复杂但成本低，早期的协作机器人基本都用这种方式。
[0004]第二种方式是在机器人末端加一个多维力/力矩传感器，加在末端关节的力或力矩可以通过一系列的数学解算转换到关节空间进行关节力控。此种方式是目前大部分协作机器人厂家都在采用的方式。但这种方式存在成本较高，解算复杂的问题，并且如果外力没有施加在末端关节上则无法进行关节力矩解算，所以碰撞检测等安全性要求高的场合就无法使用。
[0005]第三种方式是在每个关节都加装一个独立的力矩传感器进行关节力控。此种方式可直接规避复杂的动力学解算和参数识别的难题，也避免了动力学方程中引入的噪音干扰和时间延迟等问题。但此方式的问题是在每个关节都安装一个独立的扭矩传感器会无形中会增加一个多余的柔性单元，使得体积增大，关节整体刚性和传动精度都明显下降，成本也随之提高。
[0006]目前业界有一个解决如上问题的方法是利用谐波减速器柔轮的弹性来制成一种内嵌式的谐波柔轮扭矩传感器，使得谐波减速器兼具力矩传感的功能。由于柔轮柔性变形机理的复杂性，目前对于此种兼具力矩传感功能的谐波柔轮扭矩传感器的标定还没有形成统一的标准和方法，所设计的标定测试台也多半借用传统力矩标定测试台的标定方式，缺乏针对性和独特性，标定操作过于复杂，而且标定精度也不高，不适合广泛使用。
[0007]此外，常规应变片式扭矩传感器的标定只考虑自身应变梁的变形而不用考虑谐波柔轮周期性变形的影响，常规应变片式扭矩传感器只需标定出力矩电压一次函数关系线即可，与常规应变片式扭矩传感器明显不同的是，谐波柔轮扭矩传感器由于波发生器的周期性运动会使柔轮产生周期性的变形，所以在静态标定时还必须在柔轮周期性变形的不同位置进行标定。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足和协作机器人内嵌式谐波柔轮扭矩传感器精度标定的实际需求，本专利技术提供了一种用于协作机器人一体化关节模组的谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统及标定方法。其特点是结构简单、轻便、各单元实现模块化组装、调试简单方便、可配装各种型号的谐波柔轮扭矩传感器及其套件，以实现多场景组合应用。另外配合配套的标定测试软件及标定方法可实现标定过程和结果的可视化和自动化操作，以低成本、高效率、
高要求的方式完成谐波柔轮扭矩传感器的标定工作。
[0009]为实现上述目的，本专利技术首先提供了一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统，其包括可移动底座模块、导轨滑块模块、固定座模块、滑动座模块、磁滞力矩加载器模块、标准扭矩传感器模块、待标定谐波柔轮扭矩传感器模块、砝码加载臂模块、电机模块、刹车制动模块和上位机；
[0010]所述的导轨滑块模块包括一个宽幅导轨和若干个移动滑块；所述宽幅导轨沿可移动底座模块的长度方向固定于可移动底座模块的上表面，所述移动滑块均安装于宽幅导轨上，可沿宽幅导轨滑动；
[0011]所述的固定座模块的底部设置有定位凹槽，定位凹槽的槽宽与宽幅导轨的宽度相等，定位凹槽的槽内壁面与宽幅导轨的两个外侧面紧贴，定位凹槽与可移动底座模块的上表面紧贴，整个固定座模块固定安装于可移动底座模块上；
[0012]所述的滑动座模块与移动滑块的数量一致，分别安装在对应的移动滑块上，，滑动座模块能够通过可拆卸的固位件固定在可移动底座模块上；当固位件与滑动座模块取消连接时，滑动座模块可沿宽幅导轨滑动；
[0013]所述的磁滞力矩加载器模块安装在一个滑动座模块上，用于进行动态标定和测试静态标定结果，即通过动态加载力矩验证静态标定结果的准确性；所述的标准扭矩传感器模块和所述待标定谐波柔轮扭矩传感器模块分别安装在不同的滑动座模块上；所述的标准扭矩传感器模块的一端与待标定谐波柔轮扭矩传感器模块之间通过膜片联轴器连接；进行动态验证标定时，所述的磁滞力矩加载器模块与标准扭矩传感器模块另一端通过膜片联轴器连接；进行静态标定时，标准扭矩传感器模块的另一端与砝码加载臂模块固定连接；所述砝码加载臂模块用于在静态标定时施加扭矩；；
[0014]待标定谐波柔轮扭矩传感器模块为含待标定谐波柔轮扭矩传感器的谐波减速器或包括上述谐波减速器、绝对位置编码器、制动器及力矩电机的关节模组；
[0015]当待标定谐波柔轮扭矩传感器模块为所述关节模组进行测试时，所述测试系统不安装电机模块及刹车制动模块；
[0016]当待标定谐波柔轮扭矩传感器模块为谐波减速器形式时，所述电机模块固定在一个滑动座模块上，所述刹车制动模块安装在电机模块上对电机输出进行抱闸制动用或者安装在待标定谐波柔轮扭矩传感器模块上对输入端进行抱闸制动；
[0017]上位机分别与磁滞力矩加载器模块、标准扭矩传感器模块、待标定谐波柔轮扭矩传感器模块相连，控制磁滞力矩加载器加载不同的力矩，获取标准扭矩传感器模块的扭矩和待标定谐波柔轮扭矩传感器模块的输出电压值。
[0018]另一方面，本专利技术还提供了上述标定测试系统的标定方法，所述标定方法包括静态标定和动态标定验证，其具体包括如下步骤：
[0019]步骤1：将含有待测谐波柔轮扭矩传感器的关节模组或减速器安装于标定台架上，并使关节模组或减速器的输出轴与标准扭矩传感器一端的输入轴用膜片联轴器同轴相连，而标准扭矩传感器另一端的输出轴与砝码加载臂固定连接，砝码加载臂保持相对水平；通过抱闸制动锁死关节模组或减速器的输出轴，同时将关节模组或减速器的输出轴编码器反馈的位置读数设置为零位；
[0020]步骤2：将砝码加载到砝码加载臂的一端；此时，通过加载臂的有效臂长和所加砝
码重量计算出砝码施加的扭矩T
fa
，标准扭矩传感器本身精确测出此时所施加的扭矩T
st
并通过通信接口传输到上位机，通过比较T
fa
和T
st
的值，如果两者的差值在误差范围内则T
st
值可用，可继续标定；否则，检查标准扭矩传感器仪器是否损坏、检查所加砝码的重量计算是否正确、检查长臂杆的安装是否正确；
[0021]步骤3：重复步骤2，根据谐波减速器的额定输出扭矩大小设定标定点间隔大小，保证标定点的数目不少于10个，然后根据标定点设定的扭矩值逐级加载砝码，直至标准扭矩传感器读数稳定后，完成一次加载；每一次加载相应的扭矩值T
st
都会实时传输到上位机进行处理，同时从待标定谐波柔轮扭矩传感器采集到的输出电压信号也会实时传输到上位机；加载过程砝码重力的扭矩值T
sti
和待标定谐波柔轮扭矩传感器的输出电压值U
i
之间的数学模型为：T
sti
＝k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统，其特征在于，包括可移动底座模块(1)、导轨滑块模块(2)、固定座模块(3)、滑动座模块(4)、磁滞力矩加载器模块(5)、标准扭矩传感器模块(6)、待标定谐波柔轮扭矩传感器模块(7)、砝码加载臂模块(8)、电机模块、刹车制动模块(9)和上位机；所述的导轨滑块模块包括一个宽幅导轨(13)和若干个移动滑块(14)；所述宽幅导轨沿可移动底座模块的长度方向固定于可移动底座模块的上表面，所述移动滑块均安装于宽幅导轨上，可沿宽幅导轨滑动；所述的固定座模块(3)的底部设置有定位凹槽，定位凹槽的槽宽与宽幅导轨(13)的宽度相等，定位凹槽的槽内壁面与宽幅导轨(13)的两个外侧面紧贴，定位凹槽与可移动底座模块(1)的上表面紧贴，整个固定座模块(3)固定安装于可移动底座模块(1)上；所述的滑动座模块(4)与移动滑块(14)的数量一致，分别安装在对应的移动滑块(14)上，，滑动座模块(4)能够通过可拆卸的固位件(31)固定在可移动底座模块上；当固位件(31)与滑动座模块(4)取消连接时，滑动座模块(4)可沿宽幅导轨(13)滑动；所述的磁滞力矩加载器模块安装在一个滑动座模块(4)上，用于进行动态标定和测试静态标定结果，即通过动态加载力矩验证静态标定结果的准确性；所述的标准扭矩传感器模块和所述待标定谐波柔轮扭矩传感器模块(7)分别安装在不同的滑动座模块(4)上；所述的标准扭矩传感器模块的一端与待标定谐波柔轮扭矩传感器模块之间通过膜片联轴器连接；进行动态验证标定时，所述的磁滞力矩加载器模块与标准扭矩传感器模块另一端通过膜片联轴器连接；进行静态标定时，标准扭矩传感器模块的另一端与砝码加载臂模块固定连接；所述砝码加载臂模块用于在静态标定时施加扭矩；；待标定谐波柔轮扭矩传感器模块(7)为含待标定谐波柔轮扭矩传感器的谐波减速器或包括上述谐波减速器、绝对位置编码器、制动器及力矩电机的关节模组；当待标定谐波柔轮扭矩传感器模块(7)为所述关节模组进行测试时，所述测试系统不安装电机模块及刹车制动模块(9)；当待标定谐波柔轮扭矩传感器模块(7)为谐波减速器形式时，所述电机模块固定在一个滑动座模块上，所述刹车制动模块(9)安装在电机模块上对电机输出进行抱闸制动用或者安装在待标定谐波柔轮扭矩传感器模块上对输入端进行抱闸制动；上位机分别与磁滞力矩加载器模块(5)、标准扭矩传感器模块(6)、待标定谐波柔轮扭矩传感器模块(7)相连，控制磁滞力矩加载器加载不同的力矩，获取标准扭矩传感器模块(6)的扭矩和待标定谐波柔轮扭矩传感器模块的输出电压值。2.根据权利要求1所述的一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统，其特征在于，所述可移动底座模块(1)包括可升降式的福马轮(10)、铝型材座架(11)和安装底板(12)，其中安装底板(12)水平安装于铝型材座架上作为上表面用于安装有导轨滑块模块、固定座模块以及移动式的固位件(31)；福马轮安装在铝型材座架的底部；所述的福马轮采用可升降式连接件固定，以实现升降功能。3.根据权利要求2所述的一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统，其特征在于，所述的升降式连接件采用螺纹结构通过旋转实现升降。4.根据权利要求1所述的一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统，其特征在于，所述标准扭矩传感器的精度等级高于待标定谐波柔轮扭矩传感器1
‑
2个数量级以上。
5.根据权利要求1所述的一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统，其特征在于，所述的磁滞力矩加载器模块包括磁滞力矩加载器(16)、磁滞力矩加载器安装架(17)及磁滞力矩控制器；磁滞力矩加载器通过磁滞力矩加载器安装架固定连接在一个滑动座模块上；磁滞力矩控制器能够按需要控制输出1
‑
30牛米的力矩。6.根据权利要求1所述的一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统，其特征在于，所述的标准扭矩传感器模块包括高精度扭矩传感器(18)、高精度扭矩传感器安装架(19)及采集仪器；标准扭矩传感器通过高精度扭矩传感器安装架固定连接在一个滑动座模块上，其扭矩值通过采集仪器实时上传到上位机进行处理。7.根据权利要求1所述的一种谐波柔轮扭矩传感器的标定测试系统，其特征在于，所述的砝码加载臂模块包括一带轴承的支架(24)、一个带待法兰安装面键槽安装孔的长臂(25)和若干加载用砝码(26)；其中，带轴承的支架(24)包括支架板(24
‑
1)、轴承(24
‑
2)、轴承压板(24
‑
3)、轴套(24
‑
4)、紧定螺钉(24
‑
5)；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永波，张靖，王剑峰，谢发祥，
申请(专利权)人：浙江环动机器人关节科技有限公司，
类型：发明
国别省市：