[發(fā)明專利]一種彈性柔索驅(qū)動單關(guān)節(jié)實驗測試平臺、控制方法及用途

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810137592.X
• 申請日: 2018-02-10
• 公開（公告）號: CN108362423B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王正雨;訾斌;李元;王道明;錢森;錢鈞;于凌濤
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01L5/04
• 分類號: G01L5/04
• 代理公司: 合肥市科融知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34126
• 代理人: 胡治中

1.一種彈性柔索驅(qū)動單關(guān)節(jié)實驗測試平臺，其特征是：由牽引柔索驅(qū)動機構(gòu)(1)、復(fù)位柔索驅(qū)動機構(gòu)(2)、柔索導(dǎo)向過輪機構(gòu)(3)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)機構(gòu)(4)四部分組成；其中，柔索導(dǎo)向過輪機構(gòu)(3)包含鋁合金型材安裝底座(3006)和牽引柔索(3005)；

在鋁合金型材安裝底座(3006)長度方向的一端設(shè)有牽引柔索驅(qū)動機構(gòu)(1)和復(fù)位柔索驅(qū)動機構(gòu)(2)；在鋁合金型材安裝底座(3006)的中部設(shè)有柔索導(dǎo)向過輪機構(gòu)(3)；在鋁合金型材安裝底座(3006)的另一端設(shè)有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)機構(gòu)(4)；

所述牽引柔索驅(qū)動機構(gòu)(1)負(fù)責(zé)提供牽引柔索(3005)的驅(qū)動拉力；所述復(fù)位柔索驅(qū)動機構(gòu)(2)負(fù)責(zé)提供復(fù)位柔索(3004)的復(fù)位拉力；所述柔索導(dǎo)向過輪機構(gòu)(3)負(fù)責(zé)牽引柔索(3005)和復(fù)位柔索(3004)的導(dǎo)向；牽引柔索驅(qū)動機構(gòu)(1)由直流伺服電機(1001)、電機安裝支架(1002)、聯(lián)軸器(1003)、滾珠絲杠支撐座組件(1004)、滾珠絲杠支撐座安裝支架(1005)、光電開關(guān)安裝支座(1006)、光電開關(guān)(1007)、牽引機構(gòu)光柵讀數(shù)頭安裝支架(1008)、牽引機構(gòu)光柵讀數(shù)頭(1009)、光電開關(guān)遮光片(1010)、牽引機構(gòu)光柵尺安裝支架(1011)、牽引機構(gòu)微型直線滑軌與滑塊(1012)、牽引機構(gòu)光柵讀尺粘貼面板(1013)、滾珠絲杠定位座組件(1014)、滾珠絲杠定位座安裝支架(1015)、通氣孔螺釘I(1016)、滾珠絲杠螺母與滑塊聯(lián)結(jié)支架(1017)、滾珠絲杠與螺母組件(1018)、驅(qū)動機構(gòu)導(dǎo)軌安裝面板(1020)和驅(qū)動機構(gòu)直線滑軌(1019)所組成；

其中，直流伺服電機(1001)安裝在電機安裝支架(1002)；電機安裝支架(1002)安裝在鋁合金型材安裝底座(3006)上；直流伺服電機(1001)通過聯(lián)軸器(1003)和滾珠絲杠與螺母組件(1018)中的滾珠絲杠輸入端聯(lián)接；滾珠絲杠與螺母組件(1018)中微型滾珠絲杠的輸入端和輸出端分別與滾珠絲杠支撐座組件(1004)和滾珠絲杠定位座組件(1014)中的深溝球軸承聯(lián)接；滾珠絲杠支撐座組件(1004)與滾珠絲杠支撐座安裝支架(1005)相連接，滾珠絲杠定位座組件(1014)和滾珠絲杠定位座安裝支架(1015)連接；滾珠絲杠與螺母組件(1018)同滾珠絲杠螺母與滑塊聯(lián)結(jié)支架(1017)連接；滾珠絲杠螺母與滑塊聯(lián)結(jié)支架(1017)安裝在牽引機構(gòu)微型直線滑軌與滑塊(1012)的滑塊上；同時，滾珠絲杠支撐座安裝支架(1005)、滾珠絲杠定位座安裝支架(1015)、牽引機構(gòu)微型直線滑軌與滑塊(1012)中滑軌分別安裝在驅(qū)動機構(gòu)導(dǎo)軌安裝面板(1020)上表面；驅(qū)動機構(gòu)導(dǎo)軌安裝面板(1020)與鋁合金型材安裝底座(3006)連接；牽引機構(gòu)光柵尺安裝支架(1011)和滾珠絲杠螺母與滑塊聯(lián)結(jié)支架(1017)連接，在牽引機構(gòu)光柵讀尺粘貼面板(1013)下表面貼附有光柵尺帶；在牽引機構(gòu)光柵讀尺粘貼面板(1013)外側(cè)安裝有光電開關(guān)遮光片(1010)；在牽引機構(gòu)光柵讀數(shù)頭安裝支架(1008)上部安裝牽引機構(gòu)光柵讀數(shù)頭(1009)；牽引機構(gòu)光柵讀數(shù)頭安裝支架(1008)安裝在鋁合金型材安裝底座(3006)外側(cè)；光電開關(guān)安裝支座(1006)上表面裝有光電開關(guān)(1007)；光電開關(guān)安裝支座(1006)安裝在鋁合金型材安裝底座(3006)外側(cè)；在滾珠絲杠螺母與滑塊聯(lián)結(jié)支架(1017)上部安裝通氣孔螺釘I(1016)，牽引柔索(3005)穿過通氣孔螺釘I(1016)，并與之固定連接；

轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)機構(gòu)(4)由單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)、定位支架(4002)、壓力傳感器安裝底座(4003)、定位支架安裝底座(4004)、壓力傳感器安裝支架(4005)、內(nèi)六角螺釘I(4006)、壓力傳感器(4007)、鋼絲柔索掐頭(4008)、圓柱磁體安裝支架(4009)、圓柱磁體(4010)、微型磁性旋轉(zhuǎn)編碼器讀數(shù)頭(4011)、磁性編碼器讀數(shù)頭安裝支架(4012)所組成；

其中，牽引柔索(3005)的另一端、復(fù)位柔索(3004)的另一端均與鋼絲柔索掐頭(4008)相連接；鋼絲柔索掐頭(4008)與單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)的繩槽通過過盈連接；單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)與定位支架(4002)連接；定位支架(4002)和壓力傳感器安裝底座(4003)均安裝在定位支架安裝底座(4004)的上表面，定位支架安裝底座(4004)與鋁合金型材安裝底座(3006)連接；壓力傳感器(4007)安裝在壓力傳感器安裝支架(4005)內(nèi)側(cè)；壓力傳感器安裝支架(4005)安裝在壓力傳感器安裝底座(4003)的上表面；通過圓柱磁體安裝支架(4009)將單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)上端的圓柱磁體安裝支架(4009)與檢測元件圓柱磁體(4010)同軸向連接，微型磁性旋轉(zhuǎn)編碼器讀數(shù)頭(4011)安裝在磁性編碼器讀數(shù)頭安裝支架(4012)上；磁性編碼器讀數(shù)頭安裝支架(4012)安裝在定位支架(4002)的上表面；微型磁性旋轉(zhuǎn)編碼器讀數(shù)頭(4011)和圓柱磁體(4010)構(gòu)成了單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)的轉(zhuǎn)角檢測系統(tǒng)，通過單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)與壓力傳感器(4007)的接觸實現(xiàn)觸碰外力的檢測；

單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角估測精度在92％至95％之間，關(guān)節(jié)外力估測精度在80％至90％之間，關(guān)節(jié)估測外力范圍在0.1N至3.0N之間；為了保證運動精度，牽引柔索3005和復(fù)位柔索3004在運動時的張力不得小于7.5N。

2.采用權(quán)利要求1所述的一種彈性柔索驅(qū)動單關(guān)節(jié)實驗測試平臺的檢測方法，其特征在于：按如下步驟進行：

步驟1：系統(tǒng)初始化；

步驟2：控制直流伺服電機(1001)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動滾珠絲杠與螺母組件(1018)中螺母的往復(fù)直線移動，帶動光電開關(guān)遮光片(1010)移動進入光電開關(guān)(1007)檢測有效區(qū)域，檢測系統(tǒng)運動零位；獲得系統(tǒng)零位后，驅(qū)動直流伺服電機(1001)使得單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)運動至0°轉(zhuǎn)角；

步驟3：控制單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動直流伺服電機(1001)，帶動牽引柔索(3005)驅(qū)動單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)轉(zhuǎn)動，通過微型磁性旋轉(zhuǎn)編碼器讀數(shù)頭(4011)測量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角檢測值θ，通過光柵讀數(shù)頭檢測牽引柔索(3005)和復(fù)位柔索(3004)的位移量x₁和x₂；

步驟4：通過建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，并進行參數(shù)辨識，可以獲得單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角檢測值θ的轉(zhuǎn)角估測值傳遞函數(shù)，其輸入量為復(fù)位柔索(3004)的位移量x₂，轉(zhuǎn)角估測值作為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動閉環(huán)反饋信號；

步驟5：當(dāng)單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)在運動過程中觸碰壓力傳感器(4007)時，檢測獲得關(guān)節(jié)外力檢測值F_ext；通過基于系統(tǒng)外力擾動觀測器的估測方法獲得關(guān)節(jié)外力估測值作為單關(guān)節(jié)操作鉗(4001)的力反饋信息；

步驟6：將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角檢測值θ與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角估測值牽引柔索位移量x₁、復(fù)位柔索位移量x₂、關(guān)節(jié)外力檢測值F_ext和關(guān)節(jié)外力估測值反饋至工控機，供進一步分析或存儲。