一种水平式软体节肢机器人关节测试装置及其测试方法与流程

本发明属于软体机器人技术领域，具体涉及一种水平式软体节肢机器人关节测试装置及其测试方法。

背景技术：

机器人的使用已经成为工业生产和生活中不可或缺的产品，传统意义上的机器人主要是以刚性结构为主，但是其刚性结构材料导致它无法适应复杂环境的变化，这也使得它自身存在一些体型庞大，安全性低等缺点。随着人们越来越重视与非结构化环境的相互作用，机器人必须变得不那么僵硬和固定化。软体机器人具有良好的柔性，能够通过自身形变适应外部环境，能够在空间狭小的环境中进行作业，在救援、探测方面表现出广阔的应用前景。同时，软体机器人具有良好的生物兼容性，不会对生物组织造成伤害，逐渐受到医疗工作者的关注。软体机器人是新兴的研究领域，相关研究仍处于起步阶段。因此，开展软体机器人理论与相关技术的研究对促进软体机器人技术的发展和应用具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水平式软体节肢机器人关节测试装置及其测试方法。

本发明一种水平式软体节肢机器人关节测试装置，包括夹持机构、圆弧滑轨、弧形滑块、传动连杆、直线滑轨、直线滑块、负载弹簧和测距传感器；所述的夹持机构包括壳体、环形气囊和中心定位组件；壳体上开设有轴线水平设置的中心孔；壳体的中心孔内设置有环形气囊；所述的中心定位组件包括环形中心盘、扇片、调节连杆和环形调节转盘；环形中心盘与环形调节转盘同轴设置；n根调节连杆的一端均与环形调节转盘铰接；n片扇片均与环形中心盘铰接；n片扇片与n根调节连杆的另一端分别铰接。

所述的中心定位组件共有两个。两个中心定位组件分别位于壳体的两端。两个中心定位组件内的环形中心盘均与壳体固定。两个中心定位组件内的环形调节转盘均与壳体构成转动副。

所述的圆弧滑轨及直线滑轨均水平设置。圆弧滑轨的圆心轴线与壳体的中心孔轴线相交。直线滑轨的中心轴线与壳体的中心孔轴线重合。弧形滑块与圆弧滑轨构成沿圆弧滑动的滑动副。直线滑块与直线滑轨构成滑动副。传动连杆的两端与弧形滑块、直线滑块分别铰接。负载弹簧的两端分别抵住直线滑块、直线滑轨上的限位板。负载弹簧位于直线滑块远离夹持机构的一侧。

作为优选，本发明一种水平式软体节肢机器人关节测试装置还包括软体节肢机器人关节和机器人驱动机构。软体节肢机器人关节包括外部骨架、内部气囊和弹性带。外部骨架呈v形，由两根关节臂组成。两根关节臂的连接处设置有柔性铰链。两根关节臂均的材质均为机聚合物。两根关节臂的连接处内侧设置有内部气囊。弹性带的两端与两根关节臂的中部分别固定；所述的机器人驱动机构包括注射泵和压力传感器。注射泵的输出口与压力传感器的检测口及内部气囊的通气口均连通。

作为优选，所述壳体的中心孔呈两端大中间小的阶梯孔状。两个中心定位组件内的环形中心盘分别嵌入壳体中心孔两端的孔段并与壳体固定。

作为优选，所述壳体的两端端面均开设有m个螺纹孔。位于壳体同一端的m个螺纹孔沿壳体中心孔轴线的周向均布。环形调节转盘上开设有沿自身轴线周向均布的m个圆弧槽。各圆弧槽的圆心均在环形调节转盘的轴线上。环形中心盘上的m个圆弧槽与壳体对应端面上的m个螺纹孔分别对齐。m个调节螺栓分别穿过m个圆弧槽，并与m个螺纹孔构成螺旋副。

作为优选，所述的扇片呈钝角三角形状。扇片的钝角均位于钝角对边远离环形中心盘中心轴线的一侧。同一中心定位组件内的n片扇片的钝角对边合围成一个正n边形。

该软体节肢机器人关节测试装置的测试方法的关节效率测试方法具体如下：

步骤一、将软体节肢机器人关节的一根关节臂装夹到夹持机构上。将软体节肢机器人关节的另一根关节臂与弧形滑块固定，使得软体节肢机器人关节上两个关节臂的相对转动轴线与圆弧滑轨的圆心轴线重合。向被测软体节肢机器人关节注入流体介质，并持续检测被测软体节肢机器人内压力p，记录压力p随注入流体体积v的变化量，确定压力p关于v的函数关系式p(v)；同时，测距传感器检测在注液过程中第一质量块的位移δl。

步骤二、计算输入软体节肢机器人关节的能量(功)计算负载弹簧增加的弹性势能其中，其中，k为负载弹簧的劲度系数。

步骤三、计算软体节肢机器人关节的效率η＝e/q×100％。

该软体节肢机器人关节测试装置的关节夹角、角速度及转矩测试方法如下：

步骤一、将被测软体节肢机器人关节的一根关节臂装夹到夹持机构上；将被测软体节肢机器人关节的另一根关节臂固定在弧形滑块上；使得软体节肢机器人关节上两个关节臂的相对转动轴线与圆弧滑轨的圆心轴线重合。向被测软体节肢机器人关节注入流体介质，并持续检测被测软体节肢机器人内压力p，记录压力p随注入流体体积v的变化量，确定压力p关于v的函数关系式p(v)；建立输入软体节肢机器人关节的能量关于v的函数关系式同时，测距传感器检测在注液过程中第一质量块的位移δl。

步骤二、建立第一质量块的位移δl与关节夹角α的关系式如式(1)所示；

式(1)中，b为传动连杆上两根铰接轴的间距；c为初始状态下，直线滑块、传动连杆的铰接轴轴线到软体节肢机器人关节的柔性铰链转动中心的距离；θ为初始状态下，软体节肢机器人关节内两关节臂的夹角。

根据式(1)，确定关节夹角α随δl的变化曲线；从而得到在注液过程中关节夹角α与时间t的关系曲线；根据函数关系式q(v)和注入流体体积v的关系曲线，得到输入到软体节肢机器人关节的能量q与时间t的关系曲线。

步骤三、对关节夹角α与时间t的关系曲线进行求导，得到软体节肢机器人关节的角速度关于时间t的函数关系式nδ(t)。

步骤四、对输入到软体节肢机器人关节的能量q与时间t的关系曲线进行求导，得到软体节肢机器人关节在不同时刻的瞬时输入功率关于时间t的函数关系式pδ(t)。

步骤五、计算软体节肢机器人关节的瞬时转矩

该软体节肢机器人关节测试装置的气囊承压极限测试方法如下：

步骤一、将被测软体节肢机器人关节的一根关节臂装夹到夹持机构上。控制注射泵匀速地对内部气囊注入流体介质，压力传感器检测内部气囊中的压强p，直到气囊被充爆，记录最大压强pmax。

步骤二、更换软体节肢机器人关节，并重新执行步骤一。重复执行步骤一s次后进入步骤三。

步骤三、取s次试验所得最大压强的均值作为气囊的最大承压值。取最大承压值的.倍作为安全压力极限值。

作为优选，将软体节肢机器人关节装夹到夹持机构的方法如下：

步骤一、转动环形调节转盘，使得n片扇片中间的空隙增大。

步骤二、将软体节肢机器人关节的关节臂穿过两个中心定位组件。转动环形调节转盘，使得各扇片均与软体节肢机器人关节的关节臂接触。

步骤三、将环形调节转盘与壳体固定；之后对环形气囊充气，使其向中心膨胀，从而夹持住软体节肢机器人关节。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明利用曲柄滑块机构和弹簧相配合，能够分别进行空载和有负载情况下的测试。

2、本发明能够测试软体节肢机器人单个关节的承压范围、关节伸展角度以及角速度、传动效率、关节转矩等一些性能。

3、本发明中夹持机构采用气动的方式进行夹持，通过对气囊充气来实现对软体节肢机器人关节的夹持固定，很好的适应了软体节肢机器人关节材料柔软的特性。

4本发明的中心定位组件能够对不同直径的软体节肢机器人关节进行中心定位。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中软体节肢机器人关节的结构示意图；

图3是本发明中夹持机构的爆炸示意图；

图4是本发明中的中心定位组件的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种水平式软体节肢机器人关节测试装置，包括软体节肢机器人关节5、机器人驱动机构、机架11、夹持机构、圆弧滑轨3、弧形滑块4、传动连杆6、直线滑轨7、直线滑块8、负载弹簧9、测距传感器10和控制器。

如图2所示，软体节肢机器人关节5包括外部骨架12、内部气囊13和弹性带14。外部骨架12呈v形，由两根关节臂组成。两根关节臂的连接处设置有柔性铰链。两根关节臂的材质均为机聚合物(塑料)，起支撑作用。两根关节臂的连接处内侧设置有内部气囊13。内部气囊13膨胀时能够撑开两根关节臂，使得两根关节臂相背转动(伸展动作)；弹性带14的两端与两根关节臂的中部分别固定；当两根关节臂相背转动时，弹性带14被拉长，对两根关节臂产生拉力。从而使得内部气囊13收缩时，两根关节臂相向转动(收缩动作)。

机器人驱动机构包括注射泵1和压力传感器2。注射泵1的输出口与压力传感器的检测口及内部气囊13的通气口均连通；通过注射泵1的运动，能够实现内部气囊13的充放气。压力传感器2用于检测内部气囊13内的压力。

如图3所示，夹持机构包括壳体15、环形气囊16和中心定位组件17。壳体15为整个夹持机构的外壳体，用于承载其他元件，与机架11固定在一起，其形状呈法兰状。壳体15上开设有轴线水平设置的中心孔。壳体15的中心孔呈两端大中间小的阶梯孔状。壳体15的中心孔的中间孔段内设置有环形气囊16。环形气囊16用于夹紧软体节肢机器人关节5的一根关节臂。壳体15的两端端面均开设有m个螺纹孔，m＝6。位于壳体15同一端的m个螺纹孔沿壳体15中心孔轴线的周向均布。

如图4所示，中心定位组件17包括环形中心盘21、扇片19、调节连杆20和环形调节转盘18。环形中心盘21与环形调节转盘18同轴设置，且环形中心盘21位于环形调节转盘18的内侧。环形调节转盘18上开设有沿自身轴线周向均布的m个圆弧槽。各圆弧槽的圆心均在环形调节转盘18的轴线上。n根调节连杆20的一端与环形调节转盘18上沿自身轴线周向均布的n个位置分别铰接，n＝6。扇片19呈钝角三角形状。n片扇片19的其中一个锐角处与环形中心盘21上沿自身轴线周向均布的n个位置分别铰接。n片扇片19的钝角处与n根调节连杆20的另一端分别铰接。n片扇片19的钝角均位于对应钝角对边远离环形中心盘21中心轴线的一侧。n片扇片19的钝角对边合围成一个正n边形；通过环形中心盘21与环形调节转盘18发生相对转动，能够调节n片扇片19合围成的正n边形的边长，从而对不同直径的柱状体实现中心定位。

中心定位组件17共有两个。两个中心定位组件17分别位于壳体15的两端。环形中心盘21上的m个圆弧槽与壳体15对应端面上的m个螺纹孔分别对齐。2m个调节螺栓分别穿过2m个圆弧槽，并与2m个螺纹孔构成螺旋副，从而使得两个中心定位组件17内的环形调节转盘18均与壳体15构成转动副，拧紧2m个调节螺栓即可实现环形调节转盘18与壳体15的固定。两个中心定位组件17内的环形中心盘21分别嵌入壳体15中心孔两端的孔段并与壳体15固定。

圆弧滑轨3及直线滑轨7均水平设置，且均固定在机架11上。圆弧滑轨3的圆心轴线与壳体15的中心孔轴线垂直相交，这使得夹持在夹持机构上的软体节肢机器人关节5的柔性铰链转动轴线能够与圆弧滑轨3的圆心轴线重合。直线滑轨7的中心轴线与壳体15的中心孔轴线重合。弧形滑块4与圆弧滑轨3构成沿圆弧滑动的滑动副。直线滑块8与直线滑轨7构成滑动副。传动连杆6的两端与弧形滑块4、直线滑块8分别铰接。负载弹簧9的两端分别抵住直线滑块8、直线滑轨7上的限位板。负载弹簧9位于直线滑块8远离夹持机构的一侧。

夹持机构夹持住软体节肢机器人关节5的其中一根关节臂。夹持机构夹持住的关节臂水平设置。软体节肢机器人关节5的两根关节臂轴线在同一水平面上。

当不设置负载弹簧9时，由于弧形滑块4、直线滑块8均水平滑动，故在匀速或小加速度时软体节肢机器人关节5视为空载运行。当设置负载弹簧9时，软体节肢机器人关节5的转动使得弹簧被压缩，弹簧成为软体节肢机器人关节5的负载。

测距传感器10设置在直线滑块8远离夹持机构的一侧，且检测头朝向直线滑块8，用于检测直线滑块8的位移量。直线滑轨7上的限位板上开设有测距让位孔。测距传感器及压力传感器的检测接口与控制器连接。注射泵的控制接口与控制器通过电机驱动器连接。

该软体节肢机器人关节测试装置中夹持机构的夹持方法如下：

步骤一、松开各调节螺栓，转动环形调节转盘18，使得n片扇片19中间的空隙增大。

步骤二、将软体节肢机器人关节5的固定关节臂穿过两个中心定位组件17。转动两个环形调节转盘18，使得各扇片19均与软体节肢机器人关节5的固定关节臂接触，实现软体节肢机器人关节5的定位。

步骤三、拧紧各个调节螺栓；之后对环形气囊16充气，使其向中心膨胀，从而夹持住软体节肢机器人关节5的固定关节臂。

该软体节肢机器人关节测试装置的测试方法包括气囊承压极限测试方法、关节效率测试方法、关节夹角及角速度测试方法、关节转矩测试方法。

测试需进行预处理，即对内部气囊施加负压后注入流体介质(以消除气泡)；几个循环之后，预处理完成。

关节气囊承压极限测试方法具体如下：

步骤一、将软体节肢机器人关节5装夹到夹持机构上，且不与弧形滑块4固定，使得软体节肢机器人关节5空载。控制注射泵1匀速地对内部气囊13注入流体介质，压力传感器2检测内部气囊13中的压强p，直到气囊被充爆，记录最大压强pmax。

步骤二、更换软体节肢机器人关节5，并重新执行步骤一。重复执行步骤一s次后进入步骤三，s＝10。

步骤三、取s次试验所得最大压强的均值作为气囊的最大承压值。取最大承压值的0.8倍作为安全压力极限值。

关节效率测试方法具体如下：

步骤一、如图1所示，将软体节肢机器人关节5的一根关节臂装夹到夹持机构上。将软体节肢机器人关节5的另一根关节臂与弧形滑块4固定，使得软体节肢机器人关节5上两个关节臂的相对转动轴线与圆弧滑轨3的圆心轴线重合。软体节肢机器人关节5运动将驱动弧形滑块4沿着圆弧滑轨3滑动。在直线滑轨7上设置负载弹簧9，使得软体节肢机器人关节5有负载。控制注射泵1匀速地对内部气囊13注入流体介质，压力传感器2检测气囊中的压力p，记录压力p随注入流体体积v的变化量，确定压力p关于v的函数关系式p(v)。

同时，测距传感器10检测在注液过程中直线滑块8的位移δl(通过测距传感器检测到的数值变化量获得)。

步骤二、计算输入软体节肢机器人关节5的能量(功)计算负载弹簧9增加的弹性势能其中，k为负载弹簧9的劲度系数。

步骤三、计算软体节肢机器人关节5的效率η＝e/q×100％。

关节夹角及角速度测试方法具体如下：

步骤一、将软体节肢机器人关节5装夹到夹持机构上，并与弧形滑块4固定，使得软体节肢机器人关节5上两个关节臂的相对转动轴线与圆弧滑轨3的圆心轴线重合。软体节肢机器人关节5运动将驱动弧形滑块4沿着圆弧滑轨3滑动。移去直线滑轨7上的负载弹簧9，实现空载。软体节肢机器人关节5的柔性铰链转动中心作为坐标原点，壳体的中心孔轴线方向为y轴方向，建立平面直角坐标系。初始状态下，直线滑块8与传动连杆的铰接轴轴线的坐标为(0，-c)。传动连杆6上两根铰接轴的间距为b。圆弧轨道的半径为r。b，c均为已知量。初始状态下，内部气囊的内部压强为0，关节夹角为α＝θ；关节夹角为两根关节臂轴线的夹角。控制注射泵1匀速地对内部气囊13注入流体介质，测距传感器10检测在注液过程中直线滑块8的位移δl。

步骤二、建立直线滑块8的位移δl与关节夹角α的关系式如式(1)所示。

根据式(1)，确定关节夹角α随δl的变化曲线。从而得到在注液过程中关节夹角α与内部气囊的压力p及时间t的关系曲线。

步骤三、对关节夹角α与时间t的关系曲线进行求导，得到在注液过程中软体节肢机器人关节5的角速度nδ。

关节转矩测试方法具体如下：

步骤一、将软体节肢机器人关节5装夹到夹持机构上，并与弧形滑块4固定，使得软体节肢机器人关节5上两个关节臂的相对转动轴线与圆弧滑轨3的圆心轴线重合。软体节肢机器人关节5运动将驱动弧形滑块4沿着圆弧滑轨3滑动。移去直线滑轨7上的负载弹簧9，实现空载。

控制注射泵1匀速地对内部气囊13注入流体介质，压力传感器2检测气囊中的压力p，记录压力p随注入流体体积v的变化量，确定压力p关于v的函数关系式p(v)。建立输入软体节肢机器人关节5的能量(功)关于v的函数关系式

步骤二、函数关系式q(v)和注入流体体积v关于时间t的函数关系式v(t)，得到输入到软体节肢机器人关节5的能量q与时间t的关系曲线；对该曲线进行求导，则可以得到软体节肢机器人关节5在不同时刻的瞬时输入功率pδ。

步骤三、计算软体节肢机器人关节5的瞬时转矩