一种机器人一体化关节转动惯量测量装置及方法与流程

本发明属于测量装置，具体涉及一种机器人一体化关节转动惯量测量装置及方法。

背景技术：

1、机器人一体化关节的转动惯量是评估其动态响应性能、伺服控制带宽及轨迹跟踪精度的核心物理参数。随着轻量化协作机器人及外骨骼装备的快速发展，一体化关节呈现出轻量化、微型化及高功率密度的趋势，其实际输出的空载惯量和驱动力矩通常较小，因此对其转动惯量的精确测量与辨识提出了更高的技术要求。

2、在现有技术中，针对机器人关节或伺服电机转动惯量的测试，通常采用动态旋转测量模式或传统台架加载测量模式。但上述常规测试方式普遍面临以下技术局限：

3、（1）在一体化关节处于空载或低速加速测试阶段时，其输出的驱动力矩和加速转矩数值极小。若采用常规的旋转状态直接测量方式，传感器采集信号需通过旋转滑环、电刷或无线遥测系统传输，在此过程中极易引入电气接触噪声和高频干扰，难以实现对微小动态扭矩的高精度捕获。

4、（2）在工程实践中，市场上常规的静态扭矩传感器受限于其弹性体结构，最小量程通常在甚至更高量级，无法满足微小型一体化关节微弱力矩的测量精度要求。而具备微小量程的高精度扭矩传感器多设计为动态旋转式结构，若直接将其置于高速旋转的动态环境中使用，不仅机械结构复杂、动平衡调试困难，且难以保证长时运转的稳定性。

5、（3）现有的通用关节综合性能测试台架多侧重于多自由度复合加载或效率测试，其机械结构通常将关节外壳死死固定在基座上，未能针对关节外壳反力传递及纯空载状态下的角加速度与反作用转矩建立专用的力学解耦测量结构。这导致在传统测试中，由于缺乏纯空载物理边界，关节内部机械摩擦、轴承阻尼及外部杂散力矩往往耦合在一起，严重影响了转动惯量计算结果的准确性与重复性。

6、因此，亟需研发一种专门针对机器人一体化关节的转动惯量测量装置及方法，以有效解决微小扭矩在动态测试中难以高精度获取的行业共性难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中一体化关节在复杂负载干扰下难以准确测量微小转动惯量，以及现有测试装置存在结构复杂、动态信号传输受限等技术问题，本发明提供一种机器人一体化关节转动惯量测量装置及方法，用以实现对机器人一体化关节在纯空载状态下微小转动惯量的精确、静态化测量。

2、本发明提出一种机器人一体化关节转动惯量测量装置，具体包括：

3、基础平台；

4、空载测试组件，包括被测模组、安装法兰、轻型轴承、光栅固定和光栅，所述模组的外壳通过所述轻型轴承安装在所述安装法兰上，使所述模组的外壳具有绕其中心轴线相对固定基础转动的运动自由度，所述模组的输出端仅套设有光栅，且所述模组输出轴上不连接任何外部负载和传动机构以保持完全空载状态；

5、外壳反力传递组件，包括模组外壳安装轴、连接轴和联轴器，所述模组外壳安装轴的一端与所述模组的外壳连接，另一端通过所述连接轴及联轴器连接至传感器的任一端；

6、传感器静态锁紧组件，包括传感器和传感器锁紧法兰，所述传感器为动态扭矩传感器，所述传感器一端通过所述传感器锁紧法兰固定死锁，使所述传感器在工作时处于不旋转的静态受力状态。

7、优选的，还包括移动支撑组件，所述移动支撑组件包括导轨、移动板和安装架，所述导轨固定在所述基础平台上，所述移动板滑动安装于导轨上，所述安装架固定于所述移动板上，且所述安装法兰固定于安装架上。

8、优选的，所述光栅通过所述光栅固定架限位固定在所述模组的输出端。

9、优选的，当所述模组空载加速时，其输出端产生的驱动力矩所对应的反作用转矩经由模组外壳、模组外壳安装轴、连接轴和联轴器传递至被死锁的传感器上，以实现旋转动态条件下微小扭矩向静态反力测量的转换。

10、本发明还提供机器人一体化关节转动惯量测量方法，包括以下步骤：

11、s1：将所述模组通过轻型轴承支承安装，确保其输出端仅连接所述光栅处于完全空载状态，并通过所述传感器锁紧法兰将所述传感器的一端死锁固定；

12、s2：控制所述模组从静止平稳加速至额定转速，所述模组外壳承受与驱动力矩大小相等、方向相反的反作用转矩，该反作用转矩通过所述模组外壳安装轴、连接轴和联轴器传递至被死锁的所述传感器上；

13、s3：通过所述传感器在静态受力状态下采集所述模组在额定转速下的稳定扭矩，以及恒定加速过程中的加速转矩；同时通过所述光栅实时采集加速过程中的角度和时间信号；

14、s4：将采集到的稳定扭矩、加速转矩以及由光栅测得的信号计算出的角加速度值输入至处理单元，计算并输出被测一体化关节的转动惯量值。

15、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

16、1.本发明通过轻型轴承释放模组外壳的转动自由度，利用传递组件将动态旋转过程中的反作用转矩引出，并采用传感器锁紧法兰将动态扭矩传感器的一端固定，使其在工作时处于不旋转的静态受力状态。该结构利用了动态传感器的小量程特性，同时在静态下采集反作用转矩，避免了旋转状态下的信号传输干扰。

17、2.本发明对被测模组的输出端实施空载限定，其输出轴上仅套设有光栅，未连接其他外部负载及传动机构。在模组从静止加速至额定转速的过程中，输出端仅受自身惯性作用，减少了外接负载、减速器及传动件引入的额外摩擦和机械间隙对扭矩采集的影响，从而获得了对应稳定状态及加速状态下的扭矩数据t01和t02。

18、3.本发明通过导轨、移动板和安装架组成的移动支撑组件，配合外壳安装轴、连接轴和联轴器构成的力学传递链条，形成了模块化的安装结构。该结构通过机械接口的调整，能够适应不同型号的一体化关节，并在拆卸连接轴、联轴器及移动支撑后，实现测试部件的调整与更换。

1.一种机器人一体化关节转动惯量测量装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的机器人一体化关节转动惯量测量装置，其特征在于，还包括移动支撑组件，所述移动支撑组件包括导轨、移动板和安装架，所述导轨固定在所述基础平台上，所述移动板滑动安装于导轨上，所述安装架固定于所述移动板上，且所述安装法兰固定于安装架上。

3.根据权利要求1所述的机器人一体化关节转动惯量测量装置，其特征在于，所述光栅通过所述光栅固定架限位固定在所述模组的输出端。

4.根据权利要求1所述的机器人一体化关节转动惯量测量装置，其特征在于，当所述模组空载加速时，其输出端产生的驱动力矩所对应的反作用转矩经由模组外壳、模组外壳安装轴、连接轴和联轴器传递至被死锁的传感器上，以实现旋转动态条件下微小扭矩向静态反力测量的转换。

5.一种基于权利要求1至4任一项所述装置的机器人一体化关节转动惯量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：