维普资讯 http://www.cqvip.com 第２Ｏ卷第５期 ２００７年９月 机电产品开崖与刨崭 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｖｏ１．２０，Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．，２００７ 机器人一体化关节性能测试系统的设计与实现 周留栓，贾庆轩，张晓东 （北京邮电大学自动化学院，北京１００８７６） 摘要：为验证机器人一体化关节的性能是否达到指标要求，设计并实现了一体化关节性能测试试验平 台 在该平台上可以实现对关节输出力矩、运动位置精度和速度性能等关键性能参数的标定。 并对此试验平台的结构特性及精度进行了分析，得到系统结构的模态和谐响应振动数据，考察 了结构变形对测试精度的影响 最终对一体化关节进行性能测试，得到机器人一体化关节输出 力矩及运动精度等关键性能指标。 关键词：一体化关节；性能测试；固有频率；振型 中图分类号：ＴＮ９１１．２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６６７３（２００７）０５—００１—０３ ０引言 一置传感器、限位开关等。其中，传动机构由直流无刷电 机、制动器、谐波减速器组成。利用轴支撑，可以实现静 块相对动块的运动，实现一个转动自由度。静块作为动 块运动基座．其内部安装有伺服控制器等控制器件。 体化关节是机器人的重要组成部分．其主要由两 个动块及一个静块组成，内部集成了关节控制器、驱动 单元、传动单元、传感器单元和热控单元，具有标准的 机械和电气接口。 为了保证机器人运动的实现，一体化关节首先要达 到性能指标的要求，一体化关节的性能直接影响到整个 机器人的精度。因此，对一体化关节进行性能参数测试 及精度标定显得尤为必要。 一１．２一体化关节性能测试试验平台 测试平台系统硬件包括：待测关节、扭矩传感器、 磁粉制动器、光栅编码器、ＰＣ机及相应的信号采集的 数据采集卡等。在关节输出端通过联轴器与扭矩传感器 进行联接．磁粉制动器则通过联轴器与扭矩传感器另一 端进行联接。其安装结构如图１所示。 关节 圆光栅 扭矩传感器磁粉制动器 体化关节测试的基本内容包括输出力矩、制动力 矩、定位精度和速度性能测试。在基本测量的基础上， 进行关节的动态测量分析，给出关节性能的综合评定。 由于测试参数多。测试过程复杂．本文采用了基于 Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的虚拟仪器测试平台。与传统仪器相 比，测试效率及测试精度高。用户还可以通过相应的编 程对虚拟仪器进行移植、改进或功能扩展．充分体现出 了“软件就是仪器”的强大优势【１］。 图１测试平台总装图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ １关节性能测试平台的搭建 １．１一体化关节简介 一其测试原理为：在关节转动的情况下，增大磁粉制 动器的电流，产生负载扭矩（相对于关节）．通过扭矩 体化关节的结构组成：作为被测对象的一体化关 节，主要有两大部分组成：一个静块和一个动块。动块 安装有一体化关节传动机构、电机转速传感器、关节位 收稿日期：２００７—０７—２６ 基金项目：国家８６３项目（２００６ＡＡ７０４１０５） 测试仪检测负载扭矩的大小。控制电路通过光栅的脉冲 计数和频率可以检测出关节的转角和转速。 该测试平台采用上下位机的结构，上位机由ＰＣ机 和虚拟仪器软件组成，下位机为关节控制器．上下位机 之间的通讯采用ＣＡＮ总线通讯协议：光栅测试数据的 作者简介：周留栓（１９８３一），男，硕士研究生。研究方向： 器人技术。 采集和扭矩传感器测试数据的采集分别通过ＣＡ系列光 维普资讯 http://www.cqvip.com ・开发与创新・ 栅细分数据采集卡与ＴＣ一１ＰＣＩ数据采集卡实现；对磁粉 制动器加载力矩的控制通过Ｄ／Ａ卡和程控电源实现。利 用ＬａｂＷｉｎｄｏｗ／ＣＶＩ编程实现对上述数据的处理，得到各 待测指标的测量结果。 １．３关节性能测试平台结构分析 （１）静力学分析：经过初步分析，确定只有光栅编 码器安装件的静力变形可能对光栅编码器测量精度存在 影响，本文采用有限元软件ＡＮＳＹＳ ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ １０．０ 对载荷作用下的光栅编码器安装件进行受力情况分析． 考察静力变形对光栅编码器测量精度是否存在影响 ＡＮＳＹＳ结构静力分析模块主要用来分析由于稳态外 载荷所引起的系统或零部件的位移、应力、应变和作用 力，其分析过程包括以下几个步骤：建立模型，施加载 荷并求解，检查结果闭。 观察上述分析结果，可以得到以下结论：在外载荷 取值不大于４Ｎｍ（关节额定输出力矩３Ｎｍ）的情况下． 光栅编码器安装件的 静力变形对光栅编码 器测量精度的影响很 小．结构设计合理可 行。 （２）一体化关节 性能测试平台模态分 图２ ４Ｎｍ载荷情况下的应力分布图 析：对一体化关节测 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃｏｎｔｏｕｒ ｗｈｅｎ 试平台进行结构动力 ｔｏｒｑｕｅ ｉｓ ４Ｎｍ 学分析目的在于确定 此系统中部件的振动 特性，即系统固有频率和振型＿３＿，保证一体化关节测试平 台不会发生共振现象，确保测试精度。在不影响分析结 果准确性的前提下，对模型中的复杂部件进行简化， 如：对谐波减速器进行了刚性化处理，轴承在外轮廓一 致、质量一致的情况下进行了结构简化等。设定各零部 件材料性能、约束条件等参数，分析测试平台的前四阶 模态，分析结果表１所示。 系统的激振源为一体化关节电机及扭矩仪携带的小 电机，其最大转速分别为：１９０ｒ／ｍｉｎ、１４００ｒ／ｍｉｎ，其激 振频率分别为３．１６７Ｈｚ、２３．３３Ｈｚ，与测试平台固有频率 表１一体化关节测试平台前四阶频率 Ｔａｂ．１ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｐｌａｒｆｏｒｍ ａｔ ｆｉｒｓｔ ４．ｏｒｄｅｒｓ ＩＮＤＥＸ ＯＦ ＤＡＴＡ ＳＥＴＳ ０Ｎ ＲＥＳＵＩ ＴＳ ＦＩＬＥ ＳＥＴ ＴＩＭＥ／ＦＲＥＱ ＬＤＡＤＳＴＥＰ ＳＵＢＳＴＥＰ ＣＵＭＵＩ‘ＡＴＩＶＥ １ １０８．７７Ｈｚ １ １ １ ２ ２７３．９３１Ｈｚ １ ２ ２ ３ ３４１．２６６Ｈｚ １ ３ ３ ４ ４１８．５６Ｈｚ １ ４ ４ ２ 第三阶振型 第四阶振型 图３测试平台前４阶振型图 Ｆｉｇ．３ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｔ ｆｉｒｓｔ ４．ｏｒｄｅｒｓ 相差很多，所以不会发生由共振现象引起测试精度下降 的情况。 １．４一体化关节性能测试平台虚拟仪器软件设计 ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ是在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下，面向计算机 测控领域的虚拟仪器软件开发平台。它以ＡＮＳＩ Ｃ为核 心，将功能强大、应用广泛的Ｃ语言与测控专业工具有 机地结合起来，并支持多线程，利用它的集成开发环 境，在编程中直接调用用户界面函数和高级分析库函 数，从而大大缩短软件的开发时间。 由于测试参数多，测试过程复杂，另外ＣＡＮ通信 和采集卡数据交互要求实时性强．简单的通过定时器 实现效果很差。有时甚至会对测试结果带来难以预测 的后果闱，因此上位机软件采用多面板多任务的设计方案。 在系统初始化后主要分为以下几个任务： （１）ＣＡＮ协议交互任务：实时显示发送和接收的数据 指令，并具有数据保存功能，以供历史数据记录、查看。 （２）路径规划任务：对下发的数据进行路径规划， 使关节按照预定轨迹运动。 （３）数据采集任务：实时采集圆光栅编码器、扭矩 传感器测试数据，并且显示、保存。 （４）界面显示任务：实时显示采集数据、曲线绘制 以及人机交互界面等。 在系统初始化、自检和采集系统参数设置过程中， 除主线程外．另有两个线程在并行．线程之间的通讯通 过管道技术实现。主线程响应用户界面操作，其中一个 次线程负责多通道数据的实时采集，并采用数据缓冲技 术和消息机制，把采集到的数据实时存储到数据磁盘上 和发送到管道实时显示。另一个次线程通过管道消息驱 动机制，当管道中有数据时可以直接读出并显示。管道 维普资讯 http://www.cqvip.com
・开发与创新・ 图５ ０．５Ｎｍ负载下速度性能曲线 Ｆｉｇ．５ Ｓｐｅｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｗｈｅｎ ｔｏｒｑｕｅ ｉｓ ５Ｎｍ 图４虚拟仪器软件流程图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ＶＩ ｐｒｏｇｒａｍ 在位置测试中，使用高精度光栅作为标准仪器，当 关节每转一定角度（设计精度为２０角秒）后，读取光 栅数据得到实际运动转角。 函数通过函数ＣｍｔＮｅｗＴＳＱ，ＣｍｔＲｅａｄＴＳＱＤａｔａ及ＣｍｔＷｒｉｔｅＴ— ＳＱＤａｔａ等函数实现。 在虚拟仪器软件控制面板上可以控制一体化关节的 输入转角，也可以控制关节以恒定速度转动。通过弹出 面板可以对采集卡进行设置以及查看数据采集记录过 程。通过面板可以显示出环境参数、转速、转角、传动 误差等。 ２．３速度性能测试 测试方法：在关节上加不同负载，测试关节在指定某 一转速条件下的阶跃响应，检查其稳态误差和上升时间。 在一个稳定的荷载下，在转速达到稳定时，突然加 载，直到转速达到新的稳定，最后绘出其阶跃响应曲线。 ３结束语 ２关节性能参数测试及任务试验 通过购置的光栅编码器、扭矩传感器等设备．设计 在该测试平台上实现了对关节输出力矩、定位精 度、速度性能等关键性能参数的测试与标定，并且在此 基础上对关节展开了路径规划试验和任务切换试验，为 关节的综合性能评定提供了一个可靠的实验平台。 和实现了机器人一体化关节性能测试试验平台．利用虚 拟仪器软件进行编程，对采集到的数据进行计算和分 析，最终得到机器人一体化关节性能参数。 通过对已研制的一体化关节进行输出力矩、运动位 置精度、速度性能等试验验证说明：一体化关节在机械 ２．１输出扭矩测试 测试方法：在关节转动的状态下。根据扭矩测试仪 的扭矩示数，调节磁粉制动器的电流值，改变励磁电流 的大小，从而改变负载扭矩值，直到达到要求的数值。 结构、伺服控制等方面满足设计要求的性能指标，达到 了机器人应用的要求 参考文献： ［１］瞿墅．虚拟仪器的现状与研究方『句【Ｊ］＿应用与测试，２００７，１． ［２】ＡＮＳＹＳ５．５使用手册［ｚ】．高级技术分析指南，１９９９． ［３】Ｓａｅｅｄ Ｍｏａｖｅｎｉ，有限元分析一ＡＮｓＹｓ理论与应用［Ｍ］．电子工业出 版社．２００５． 通过ＪＺ转矩转速传感器和其相应的ＴＣ一１ＰＣＩ数据 采集卡即可以测试并在计算机上显示出关节输出力矩值 的大小。 ２．２运动位置精度测试 测试方法：通过测量关节的输入一输出角度，建立 关节的输入一输出特性曲线，确定关节的位置精度。 ［４］高亚奎，支超有．多线程虚拟仪器测试软件的开发［Ｊ１．计算机测量 与控制．２００３，１２． Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ－ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｒｏｂｏｔ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｊｏｉｎｔ ＺＨＯＵ Ｌｉｕ—Ｓｈ“帆，ＪＩＡ Ｑｉｒ ｌｚｏｎ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—Ｄｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｇｅｒ，ａ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｓ ｔｏｒｑｕｅ ｏｕｔｐｕｔ，ａｎｇｕｌａｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ａｎｇｕｌａｒ ｖｅ— ｌｏｃｉｙ ｐｒｅｃｉｔｓｉｏｎ，ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎ— ｃｅｒｎｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ，ｉｓ ａｌｓｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｃａｐｔｕｒｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｕｌａｒ ｊｏｉｎｔ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ；ｍｏｄｅｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ３