实现
第2O卷第5期
2007年9月
机电产品开崖与刨崭Development&InnovationofMachinery&ElectricalProducts
V o1.20,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
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
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].
1关节性能测试平台的搭建
1.1一体化关节简介
一
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)
作者简介：周留栓(1983一)，男，硕士研究生.研究方向: 器人技术.
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. 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
图1测试平台总装图
Fig.1Theprinciplediagramofsystem
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
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
采集和扭矩传感器测试数据的采集分别通过CA系列光机
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.
压力维持阀
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ANSYSWORKBENCH10.0
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
聚结器取值不大于4Nm(关节额定输出力矩3Nm)的情况下.
图24Nm载荷情况下的应力分布图
Fig.2Distortioncontourwhen
torqueis4Nm
光栅编码器安装件的
静力变形对光栅编码
自动上料玉米脱粒机
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
析：对一体化关节测
试平台进行结构动力
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,
高压锅限压阀
滚压刀具如：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
ders INDEXOFDA TASETS0NRESUITSFILE
电视升降机SETTIME/FREQLDADSTEPSUBSTEPCUMUI'ATIVE 1108.77Hz111
2273.931Hz122
3341.266Hz133
4418.56Hz144
2
第三阶振型第四阶振型
图3测试平台前4阶振型图
ders
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ANSIC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
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