作者：石照耀，程慧明
引言
2021年中國機(jī)器人行業(yè)市場規(guī)模為1306.8億元，預(yù)計(jì)2022年行業(yè)市場規(guī)模將達(dá)1712.4億元，同比增長31.0%，增速全球領(lǐng)先。關(guān)節(jié)是機(jī)器人執(zhí)行姿態(tài)控制的執(zhí)行部件，其性能對機(jī)器人的整機(jī)性能和可靠性起決定性作用。按動力來源可以分為液壓、氣動和電機(jī)驅(qū)動三大類，本文主要介紹電驅(qū)動關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)主要由傳動、控制和傳感部分組成，其中傳動部分由電機(jī)、減速器和結(jié)構(gòu)件組成，控制部分由驅(qū)動模塊及通信模塊組成，傳感器部分使用了位置、力矩、電流和溫度等。
隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域與規(guī)模的快速擴(kuò)張，關(guān)節(jié)種類不斷增加、性能也不斷優(yōu)化。與此相適應(yīng)，對關(guān)節(jié)性能的表征、測試和評價(jià)也成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。全面考察機(jī)器人關(guān)節(jié)測試技術(shù)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)整體上呈現(xiàn)出四個(gè)特點(diǎn)：(1)測試技術(shù)多來源于減速器和電機(jī)測試技術(shù)，缺乏完全適用于關(guān)節(jié)的整機(jī)測試技術(shù)。(2)國內(nèi)外研發(fā)的測試設(shè)備主要針對大中型關(guān)節(jié)，而針對小型或微小型關(guān)節(jié)的測試技術(shù)和設(shè)備較少。(3)對關(guān)節(jié)的測試多集中在減速器和電機(jī)上，而不是將關(guān)節(jié)作為一個(gè)整體進(jìn)行測試。(4)測試參數(shù)不全面，多集中于關(guān)節(jié)的定位精度、速度響應(yīng)能力上，缺少對其傳動精度參數(shù)、電參數(shù)及其與機(jī)械參數(shù)的測試和融合分析。
機(jī)器人關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)不簡單，同時(shí)蘊(yùn)含著復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化、能量傳遞以及運(yùn)動控制等問題。應(yīng)用場景的多樣化對機(jī)器人主機(jī)裝備的運(yùn)動性能精度、負(fù)載控制、能耗效率、振動噪聲、服役壽命等性能提出了更高的目標(biāo)，這對關(guān)節(jié)的綜合性能提出了進(jìn)一步的要求。因此對機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行綜合性能測試，獲取關(guān)鍵性能指標(biāo)，并為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)具有重要意義。
一、關(guān)節(jié)分類
1.1 類型
機(jī)器人關(guān)節(jié)的種類眾多，可大致劃分為剛性關(guān)節(jié)和彈性關(guān)節(jié)兩類。
剛性關(guān)節(jié)主要由電機(jī)、高傳動比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制器等組成。Albu-Schaffer等為德國宇航局的輕量機(jī)器人設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括無刷電機(jī)、諧波減速器、絕對編碼器、增量編碼器、剎車和力矩傳感器等，如圖1所示。Samuel Rader等設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)裝有陀螺儀，可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的姿態(tài)控制。由于材料和設(shè)計(jì)上的限制，剛性關(guān)節(jié)存在功率密度值不高和機(jī)器人受沖擊情況下關(guān)節(jié)強(qiáng)度不夠的問題，因此剛性關(guān)節(jié)在使用上存在一定的局限性。
圖1 剛性關(guān)節(jié)
彈性關(guān)節(jié)分為串聯(lián)彈性關(guān)節(jié)與并聯(lián)彈性關(guān)節(jié)兩種。彈性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)原理來自于Hill肌肉三元素力學(xué)模型，以求更好的模擬人體肌肉功能。Pratt首先提出了串聯(lián)彈性關(guān)節(jié)的概念，串聯(lián)彈性關(guān)節(jié)在減速器和電機(jī)之間增加彈性連桿，用于降低外部沖擊載荷和儲存能量。Vanderborght等設(shè)計(jì)了可平衡位置的關(guān)節(jié)，Negrello等設(shè)計(jì)了新型關(guān)節(jié)，并進(jìn)行了負(fù)載能力和抗沖擊能力實(shí)驗(yàn),如圖2所示。并聯(lián)彈性關(guān)節(jié)是在機(jī)器人整機(jī)上增加并聯(lián)彈性連桿，通過和關(guān)節(jié)共同配合，來達(dá)到釋放沖擊和儲能的功能。
圖2 彈性關(guān)節(jié)
1.2 技術(shù)要求
機(jī)器人應(yīng)用場景的多樣化對關(guān)節(jié)的技術(shù)提出了不同的需求，以剛性關(guān)節(jié)為例，大致可以分為兩類，如表1所示。
表1 關(guān)節(jié)技術(shù)要求
第一種類型關(guān)節(jié)被廣泛應(yīng)用于教育機(jī)器人、玩具機(jī)器人和餐飲機(jī)器人等，對關(guān)節(jié)的傳動精度要求相對較低，通常對整機(jī)的回差要求小于60′。減速器的齒輪模數(shù)在0.2mm-0.5mm之間，材料以金屬和塑料為主，種類有平行軸齒輪減速器、行星齒輪減速器、面齒輪減速器，其中平行軸齒輪減速器較為常見，部分減速器內(nèi)部會增加離合機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)器人跌倒減速器受到?jīng)_擊時(shí)，用于保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該類型關(guān)節(jié)通常沒有力矩傳感器。
第二種類型的關(guān)節(jié)廣泛應(yīng)用于大型雙足服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人和航空航天領(lǐng)域的空間機(jī)械臂等，此類關(guān)節(jié)對傳動精度要求較高，通常對整機(jī)的回差精度要求是小于3′。其減速器的傳動形式主要有行星減速器、擺線針輪減速器、諧波減速器，其中諧波減速器最為普遍。電機(jī)多使用直流無刷電機(jī)和永磁同步電機(jī)，在安裝上多采用無框形式。位置檢測傳感器有光柵編碼器、磁編碼器，力矩傳感器有應(yīng)變扭力計(jì)。
二、關(guān)節(jié)測試方法現(xiàn)狀
機(jī)器人關(guān)節(jié)的性能主要反映在傳動精度、機(jī)械參數(shù)、響應(yīng)參數(shù)和電參數(shù)等指標(biāo)上。減速器和電機(jī)作為關(guān)節(jié)的重要部件，兩者測試技術(shù)的發(fā)展為關(guān)節(jié)測試技術(shù)提供了借鑒，但減速器和電機(jī)的質(zhì)量不能反映關(guān)節(jié)整機(jī)的質(zhì)量，因此對關(guān)節(jié)的測試應(yīng)面向整機(jī)。
2.1 傳動精度
傳動誤差和回差是評價(jià)關(guān)節(jié)運(yùn)動輸出精度的主要指標(biāo)。傳動誤差既反映了傳動部分制造誤差和安裝誤差，又反映了其抵抗外界環(huán)境(如溫度、負(fù)載等)的能力。回差則反映了關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)中的間隙，其主要由空程回差、彈性回差、溫度回差等組成。
2.1.1 傳動誤差
(1)測試方法
對精密減速器等傳動鏈的傳動誤差測試技術(shù)研究可以追溯至上世紀(jì)50年代，K.Stepanek研制出基于磁柵式傳感器測試齒輪機(jī)床動態(tài)誤差的設(shè)備。C.Timmc基于光柵式傳感器，通過將旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號輸出以得到傳動誤差的一種測量方法。黃潼年先生提出了“單面嚙合間齒測量法”，發(fā)明了齒輪整體誤差測量技術(shù)。彭東林提出一種時(shí)柵傳感器，用于對傳動誤差進(jìn)行測量。國標(biāo)GB/T 35089-2018對機(jī)器人用諧波齒輪減速器、行星擺線減速器、擺線針輪減速器等精密傳動裝置的試驗(yàn)設(shè)備、傳動誤差試驗(yàn)方法及其數(shù)據(jù)處理方法做出規(guī)定。機(jī)器人關(guān)節(jié)的傳動誤差測試技術(shù)來源于上述方法，關(guān)節(jié)的傳動誤差是指：對應(yīng)伺服電機(jī)任意轉(zhuǎn)角，關(guān)節(jié)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之間的差值，傳動誤差曲線如圖3所示。
圖3 機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動誤差示意圖
文獻(xiàn)[3]基于光柵法對關(guān)節(jié)的傳動誤差進(jìn)行測試。文獻(xiàn)[4]利用高精度光柵測量關(guān)節(jié)的輸出角度，關(guān)節(jié)電機(jī)編碼器測量輸入端角度，實(shí)現(xiàn)了對關(guān)節(jié)整機(jī)傳動誤差的測試。
(2)測試難點(diǎn)
關(guān)節(jié)是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由于在工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器配置和控制方式等方面不同于其他的齒輪傳動機(jī)構(gòu)，使得對關(guān)節(jié)傳動誤差的測試也存在不同，因此在測試方法上帶來了一系列的不確定和難點(diǎn)問題。
根據(jù)GB/T 35089-2018對精密減速器傳動誤差測試設(shè)備的規(guī)定，在減速器的輸入端和輸出端分別利用高精度角度編碼器采集角度數(shù)據(jù)。對關(guān)節(jié)傳動誤差的測試，是以關(guān)節(jié)整機(jī)為測試對象，關(guān)節(jié)輸入端角度數(shù)據(jù)的采集依賴于關(guān)節(jié)電機(jī)編碼器。部分關(guān)節(jié)編碼器精度較低或者沒有安裝電機(jī)編碼器，因此在此類關(guān)節(jié)傳動誤差的測試中如何保證輸入角度的有效性是一個(gè)難點(diǎn)問題。目前的解決方案有兩種，一是文獻(xiàn)[4]中所利用的等時(shí)間間隔采樣方式，該方法可以在一定程度解決編碼器精度不足的影響，但該方法可能存在時(shí)間滯后和關(guān)節(jié)本身不支持該模式的問題;二是以控制器發(fā)出的指令角度為輸入端角度，即以理論轉(zhuǎn)角為輸入端角度，該方法符合關(guān)節(jié)傳動誤差的定義。
綜上所述，關(guān)節(jié)的傳動誤差測試方法多來源于精密減速器等傳動裝置，但由于關(guān)節(jié)本身的特點(diǎn)，使得其傳動誤差的測試方法具有一定的特殊性。
2.1.1 回差
(1)測試方法
機(jī)器人關(guān)節(jié)的回差是指：關(guān)節(jié)的輸入端伺服電機(jī)運(yùn)動方向改變后到輸出端運(yùn)動方向跟隨改變時(shí)，輸出端在轉(zhuǎn)角上的滯后量。按照測試原理的不同，對關(guān)節(jié)回差的測試可以分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩種。
靜態(tài)測試：是指將關(guān)節(jié)的輸入端固定，通過輸出端加載、卸載，獲取滯回曲線而完成的回差測試，滯回曲線如圖4所示。輸入端固定，給輸出端逐漸加載至額定轉(zhuǎn)矩后卸載,再反向逐漸加載至額定轉(zhuǎn)矩后卸載，記錄多組輸出端轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角值，繪制完成的封閉的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角曲線。
圖4 滯回曲線示意圖
在關(guān)節(jié)輸出端不同位置進(jìn)行回差測試，獲得各個(gè)位置的回差，由此獲得靜態(tài)測試的回差曲線，如圖5所示。
圖5 靜態(tài)測試的回差曲線
動態(tài)測試法：通過測試關(guān)節(jié)的雙向傳動誤差曲線，獲取回差曲線而完成的回差測試。首先測出關(guān)節(jié)正向傳動誤差曲線，使輸入端正向多轉(zhuǎn)一定的角度后反向旋轉(zhuǎn)，然后在相同條件下測出關(guān)節(jié)反向傳動誤差曲線，如圖6所示。圖6中反向傳動誤差曲線與正向傳動誤差曲線對應(yīng)點(diǎn)的代數(shù)差即構(gòu)成回差曲線，如圖7所示。文獻(xiàn)[5]采用動態(tài)測試方法對小型關(guān)節(jié)進(jìn)行了回差的動態(tài)測試實(shí)驗(yàn)，并和靜態(tài)測試進(jìn)了對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果大體一致，可以在一定程度上進(jìn)行相互印證。
圖6 雙向傳動誤差曲線
圖7 回差曲線(2)測試難點(diǎn)
同傳動誤差測試類似，關(guān)節(jié)回差的測試也不同于精密減速器等傳動裝置，對測試方法的研究也需要從關(guān)節(jié)本身的特點(diǎn)來考慮。
(1)關(guān)節(jié)帶電狀態(tài)是影響關(guān)節(jié)回差測試的一個(gè)重要因素，按照關(guān)節(jié)回差靜態(tài)測試方法的定義，需要將關(guān)節(jié)的輸入端固定，即電機(jī)軸抱死。關(guān)節(jié)上電后電機(jī)軸抱死，在靜態(tài)測試過程由于電機(jī)反向電動勢的阻礙，會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。(2)角度編碼器精度和有無問題同樣影響關(guān)節(jié)的回差動態(tài)測試，按照定義需要獲得雙向傳動誤差曲線，進(jìn)而獲得回差曲線。在實(shí)際測試過程中，若采用等時(shí)間間隔采樣的方式，則會存在采集點(diǎn)無法對齊的問題。若采用理論角度為輸入端角度的方法，則存在測試不連續(xù)的問題。(3)聯(lián)軸器變形會影響關(guān)節(jié)回差測試結(jié)果，在加載測試中需要對聯(lián)軸器變形進(jìn)行補(bǔ)償。
2.2 機(jī)械參數(shù)
2.2.1 啟動轉(zhuǎn)矩與反啟動轉(zhuǎn)矩測試
機(jī)器人關(guān)節(jié)的啟動轉(zhuǎn)矩測試是指關(guān)節(jié)的輸出端在無負(fù)載情況下，關(guān)節(jié)內(nèi)部的電機(jī)緩慢進(jìn)行轉(zhuǎn)動，至關(guān)節(jié)的輸出端轉(zhuǎn)動，期間利用關(guān)節(jié)內(nèi)部的力矩傳感器采集轉(zhuǎn)矩變換情況，利用測試設(shè)備的高精度角度傳感器來實(shí)時(shí)判斷關(guān)節(jié)輸出端的轉(zhuǎn)動情況，取轉(zhuǎn)矩的最大值為啟動轉(zhuǎn)矩，測試曲線如圖8所示。需要注意的是若關(guān)節(jié)內(nèi)部沒有力矩傳感器則無法進(jìn)行啟動轉(zhuǎn)矩和反啟動轉(zhuǎn)矩測試。
機(jī)器人關(guān)節(jié)的反啟動轉(zhuǎn)矩測試是指關(guān)節(jié)的輸入端在無負(fù)載情況下，測試設(shè)備的加載電機(jī)緩慢進(jìn)行轉(zhuǎn)動，直至關(guān)節(jié)的輸入端轉(zhuǎn)動，期間利用測試設(shè)備的力矩傳感器采集轉(zhuǎn)矩變化情況，利用關(guān)節(jié)內(nèi)部的輸入端角度傳感器實(shí)時(shí)判斷關(guān)節(jié)輸入端的轉(zhuǎn)動情況，取轉(zhuǎn)矩的最大值為反啟動轉(zhuǎn)矩，測試曲線如圖8所示。需要注意的是對關(guān)節(jié)的反啟動轉(zhuǎn)矩測試要在不帶電下進(jìn)行測試，因?yàn)殡姍C(jī)在帶電狀態(tài)下反向轉(zhuǎn)動會存在反向電動勢，對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動存在阻礙。
圖8 啟動(反啟動)轉(zhuǎn)矩曲線2.2.2 工作區(qū)
工作區(qū)用轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩組成的二維平面坐標(biāo)區(qū)域表示，如圖9所示。關(guān)節(jié)運(yùn)行時(shí)溫度不超過關(guān)節(jié)允許最高溫度，能長期工作的區(qū)域?yàn)檫B續(xù)工作區(qū)。圖中連續(xù)工作區(qū)域是由關(guān)節(jié)的發(fā)熱、機(jī)械強(qiáng)度、以及關(guān)節(jié)內(nèi)驅(qū)動器的極限工作條件限制的范圍。超出連續(xù)工作區(qū)，允許關(guān)節(jié)短時(shí)過載運(yùn)行的區(qū)域?yàn)閿嗬m(xù)工作區(qū)。
圖9 工作區(qū)
2.3 響應(yīng)參數(shù)
2.3.1 位置響應(yīng)頻帶寬度
根據(jù)JB-T 10184-2000的規(guī)定，對關(guān)節(jié)位置響應(yīng)頻帶寬度的測試應(yīng)按照如下方式。在給定某一恒定負(fù)載的情況下，關(guān)節(jié)輸入正弦波信號，隨著正弦波信號頻率逐漸升高，對應(yīng)關(guān)節(jié)位置輸出量的幅值逐漸減小同時(shí)相位滯后逐漸增大，當(dāng)相位滯后增大至90°時(shí)或幅值減小至輸入幅值的1/根號2時(shí)的頻率即為系統(tǒng)位置響應(yīng)頻帶寬度。
2.3.2 正/負(fù)階躍輸入的位置響應(yīng)時(shí)間
關(guān)節(jié)在空載條件下或按照試驗(yàn)要求加載某一恒定負(fù)載(根據(jù)需求確定轉(zhuǎn)動慣量和扭矩大小)。外部控制器發(fā)送由0到1的正階躍信號給關(guān)節(jié)，并同步讀取角度傳感器的數(shù)據(jù)，記錄關(guān)節(jié)從階躍信號發(fā)出至位置達(dá)到0.9的時(shí)間;重復(fù)上述試驗(yàn)，取多次試驗(yàn)的平均值即為關(guān)節(jié)的正階躍輸入的位置響應(yīng)時(shí)間，測試曲線如圖10。
圖10 正階躍輸入的位置響應(yīng)時(shí)間
同理，外部控制器發(fā)送由1到0的負(fù)階躍信號給關(guān)節(jié)，并同步讀取角度傳感器的數(shù)據(jù)，記錄關(guān)節(jié)從階躍信號發(fā)出至位置達(dá)到0.1的時(shí)間;重復(fù)上述試驗(yàn)，取多次試驗(yàn)的平均值即為關(guān)節(jié)的負(fù)階躍輸入的位置響應(yīng)時(shí)間，測試曲線如圖11。
圖11 負(fù)階躍輸入的位置響應(yīng)時(shí)間
2.4 電參數(shù)
電參數(shù)測試用于反映關(guān)節(jié)在工作狀態(tài)下電流、轉(zhuǎn)速、功率、效率與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。電參數(shù)測試分為恒定加載測試與梯度加載測試。恒定加載測試是指關(guān)節(jié)輸出端施加某一恒定負(fù)載的情況下，測試關(guān)節(jié)的電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩變化情況;梯度加載測試是指關(guān)節(jié)輸出端梯度加載的情況下，測試關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩與電流、轉(zhuǎn)速、效率、輸出功率之間的關(guān)系，獲得相應(yīng)的特性曲線。
2.4.1 恒定加載測試
恒定加載測試的目的是為檢測關(guān)節(jié)在空載或穩(wěn)定負(fù)載情況下，其瞬時(shí)電流、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的波動情況，上述參數(shù)測試原理及測試曲線示意圖如表2所示。
表2 恒定加載測試
2.4.2 梯度加載測試
梯度加載測試的目的是為檢測關(guān)節(jié)在最高轉(zhuǎn)速下，關(guān)節(jié)輸出端負(fù)載從0Nm開始等時(shí)間梯度加載至堵轉(zhuǎn)力矩為止的過程中，關(guān)節(jié)的電流、轉(zhuǎn)速、效率、輸出功率之間的關(guān)系，獲得轉(zhuǎn)矩—電流曲線、轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線、轉(zhuǎn)矩—輸出功率曲線、轉(zhuǎn)矩—效率曲線以及關(guān)節(jié)最佳工作區(qū)域綜合曲線，上述參數(shù)測試原理及測試曲線示意圖如表3所示。
表3 梯度加載測試
三、關(guān)節(jié)測試設(shè)備現(xiàn)狀
3.1 大中型關(guān)節(jié)測試設(shè)備
在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)成熟的商用大中型關(guān)節(jié)測試設(shè)備不多，本文列舉多型大中型關(guān)節(jié)測試設(shè)備，從測試范圍、測試功能、測試精度、測試原理以及測試數(shù)據(jù)運(yùn)用五個(gè)方面進(jìn)行對比，如表4所示。
表4 大中型關(guān)節(jié)測試設(shè)備
由上表可知，大中型關(guān)節(jié)測試設(shè)備基本以單一類型性能參數(shù)測試為主，涉及定位精度、響應(yīng)參數(shù)和機(jī)械參數(shù)，測試技術(shù)主要借鑒電機(jī)測試技術(shù)，少量來源于精密減速器測試技術(shù)，存在測試項(xiàng)單一，功能不完善等不足。在測試數(shù)據(jù)運(yùn)用方面，主要目的為驗(yàn)證關(guān)節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)和運(yùn)動控制算法的可靠性和有效性。
目前面向大中型關(guān)節(jié)的測試設(shè)備正朝著綜合性能測試和云端測試的方向發(fā)展，作者團(tuán)隊(duì)所研制的新型機(jī)器人關(guān)節(jié)綜合性能測試機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對關(guān)節(jié)傳動精度、機(jī)械參數(shù)、響應(yīng)參數(shù)、電參數(shù)和抗干擾等性能參數(shù)的綜合測試，測試機(jī)的性能指標(biāo)如表5所示，測試機(jī)如圖12所示。
圖12 服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)綜合性能測試機(jī)
利用該測試機(jī)實(shí)現(xiàn)了對關(guān)節(jié)性能全面測試，相關(guān)測試結(jié)果如圖13所示，分別為傳動誤差、抗干擾性能和階躍響應(yīng)測試。
圖13 關(guān)節(jié)測試
測試機(jī)還具備云測試與數(shù)據(jù)云交互的功能，相關(guān)架構(gòu)如圖14所示，將關(guān)節(jié)測試中涉及的測試設(shè)備、傳感器、控制軟件、分析方法、測試方法、測試數(shù)據(jù)和輔助設(shè)備虛擬化為服務(wù)資源，通過通用的硬件設(shè)備接口和軟件接口，依托云平臺，實(shí)現(xiàn)了各測量資源統(tǒng)一的、集中的信息化和智能化組織管理和運(yùn)用，最終面向用戶提供個(gè)性化的測試服務(wù)和體驗(yàn)。
圖14 關(guān)節(jié)云測試架構(gòu)
3.2 小型關(guān)節(jié)測試設(shè)備
小型關(guān)節(jié)測試的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：(1)傳感器精度問題，小型關(guān)節(jié)內(nèi)部的傳感器精度較低，影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性;(2)傳感器缺乏問題，部分小型關(guān)節(jié)因體積限制，使得關(guān)節(jié)內(nèi)部無法安裝傳感器，導(dǎo)致無法進(jìn)行測試;(3)外形尺寸小：因小型關(guān)節(jié)的外形尺寸小，導(dǎo)致配套的測試設(shè)備存在夾具設(shè)計(jì)困難，外部傳感器無滿足尺寸要求等問題。
作者團(tuán)隊(duì)在一定程度上解決了上述問題，研制了面向服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)的綜合性能測試機(jī)，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，其測試關(guān)節(jié)參數(shù)如表6所示，測試機(jī)的情況如表7所示。
表6 小型關(guān)節(jié)參數(shù)
表7 小型關(guān)節(jié)測試設(shè)備參數(shù)
測試機(jī)如圖15所示，主要由被測關(guān)節(jié)、高精度光柵、力矩傳感器、電力分析儀和負(fù)載電機(jī)等組成。利用測試機(jī)對小型關(guān)節(jié)的回差、電參數(shù)和反啟動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測試，相關(guān)測試結(jié)果如圖16所示。該測試機(jī)主要解決了三個(gè)問題，一解決了小型關(guān)節(jié)測試手段缺乏的問題;二解決了小型關(guān)節(jié)整體性能測試難的問題;三解決了關(guān)節(jié)測試項(xiàng)目單一的問題。
圖15 服務(wù)機(jī)器人小型關(guān)節(jié)綜合性能測試機(jī)
圖16 能測試機(jī)小型關(guān)節(jié)測試
綜上所述，在機(jī)器人關(guān)節(jié)測試設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域存在測試項(xiàng)單一，測試數(shù)據(jù)運(yùn)用不足等的問題，考慮到關(guān)節(jié)對于機(jī)器人市場的重要性和特殊性，對其測試技術(shù)的研究和測試設(shè)備的開發(fā)越發(fā)的迫切。
四、關(guān)節(jié)測試技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展趨勢
機(jī)器人關(guān)節(jié)經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，機(jī)器人主機(jī)應(yīng)用場景的多樣化對其關(guān)節(jié)的性能指標(biāo)提出更多的需求，相應(yīng)的為了適應(yīng)不同場景，關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)配置也發(fā)生了眾多變化。這對關(guān)節(jié)測試技術(shù)提出了更高的要求，關(guān)節(jié)測試技術(shù)面臨的難點(diǎn)問題急需克服，下一步的發(fā)展方向需要深入討論。
4.1 關(guān)節(jié)測試技術(shù)難點(diǎn)
機(jī)器人關(guān)節(jié)測試技術(shù)難點(diǎn)歸結(jié)為以下六點(diǎn)：
(1)面向關(guān)節(jié)的測試方法。前述測試方法多源于精密減速器和電機(jī)的測試，但關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)配置不同于二者，現(xiàn)有測試方法并未圍繞關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行完善。同時(shí)考慮到關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)本身的差異性，需要對剛性和彈性關(guān)節(jié)等不同類型關(guān)節(jié)的測試方法進(jìn)行細(xì)化和適應(yīng)性改變。隨著關(guān)節(jié)應(yīng)用場景的復(fù)雜化，還需要對關(guān)節(jié)進(jìn)行抗沖擊、抗過載和壽命等極限性能測試，但此類性能指標(biāo)的測試方法尚處于空白階段。
(2)綜合性能測試設(shè)備。關(guān)節(jié)是復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，本身對機(jī)械設(shè)計(jì)，能量傳遞以及運(yùn)動控制等提出了較高的要求，這要求測試設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)綜合性能測試，但目前多數(shù)測試設(shè)備只能對關(guān)節(jié)某一項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行測試。綜合性能測試設(shè)備需要在機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器配置和測試軟件開發(fā)上滿足傳動精度、機(jī)械參數(shù)、響應(yīng)參數(shù)和電參數(shù)測試的需求。
(3)關(guān)節(jié)配置。在測試過程中，關(guān)節(jié)本身為輸入端，其內(nèi)部傳感器的精度和有無在一定程度上決定測試結(jié)果的有效性。如前述所示，關(guān)節(jié)內(nèi)部角度編碼器的精度越高，關(guān)節(jié)傳動精度測試的結(jié)果可靠性越高。
(4)數(shù)據(jù)運(yùn)用。表4和表6總結(jié)了部分關(guān)節(jié)測試數(shù)據(jù)運(yùn)用情況，發(fā)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)主要用于機(jī)械設(shè)計(jì)、控制算法的驗(yàn)證，并未深入的進(jìn)行機(jī)理性研究，沒有依托數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評價(jià)體系建設(shè)、誤差溯源和性能預(yù)報(bào)模型的研究，測試在機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、制造、使用中的核心作用未得到體現(xiàn)。
(5)云平臺還未利用。應(yīng)該將云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能及多傳感器數(shù)據(jù)融合等先進(jìn)技術(shù)引入到關(guān)節(jié)測試系統(tǒng)和健康監(jiān)測中，提高關(guān)節(jié)測試的效率，能夠提高關(guān)節(jié)行業(yè)產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)集成系統(tǒng)和終端用戶的故障決策能力。
(6)測試方法標(biāo)準(zhǔn)化。目前市面上沒有一部成熟的關(guān)節(jié)測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)測試原理，測試方法和測試設(shè)備來源于生產(chǎn)和研發(fā)機(jī)構(gòu)的摸索。機(jī)器人關(guān)節(jié)行業(yè)的飛速發(fā)展對關(guān)節(jié)測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出了需求，關(guān)節(jié)本身的技術(shù)要求又對標(biāo)準(zhǔn)的制定提出了更高的要求。
4.2 關(guān)節(jié)測試技術(shù)的發(fā)展趨勢
機(jī)器人關(guān)節(jié)測試技術(shù)的發(fā)展趨勢可以歸結(jié)為四點(diǎn)：
(1)需要打通機(jī)器人整機(jī)測試技術(shù)與關(guān)節(jié)測試技術(shù)的壁壘。機(jī)器人主機(jī)廠商重視機(jī)器人整機(jī)測試技術(shù)，忽視關(guān)節(jié)測試技術(shù)的重要性。機(jī)器人關(guān)節(jié)主機(jī)廠商，重視關(guān)節(jié)本身的測試技術(shù)，忽視如何從機(jī)器人整機(jī)角度去考慮測試技術(shù)，因此打通兩者測試技術(shù)的壁壘顯得尤為迫切。而打通兩者壁壘的關(guān)鍵是找到之間的關(guān)系，既一方面通過對機(jī)器人整機(jī)進(jìn)行測試，可以反映某一關(guān)節(jié)的性能情況。另一方面通過對某一關(guān)節(jié)進(jìn)行測試，可以反映出機(jī)器人整機(jī)的性能。故如何將機(jī)器人整機(jī)測試和關(guān)節(jié)整機(jī)測試進(jìn)行融合是今后一個(gè)新研究方向。
(2)重點(diǎn)研究傳動精度測試技術(shù)。在相當(dāng)長的一段時(shí)間中，工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹃P(guān)節(jié)的測試目的是探究關(guān)節(jié)的負(fù)載大小、抵抗干擾能力等，對傳動精度的要求較低。隨著市場對高精度機(jī)器人需求的增長，相適應(yīng)的對關(guān)節(jié)傳動精度要求也越來越高，因此面向關(guān)節(jié)傳動精度的測試技術(shù)是研究的重點(diǎn)。
(3)對極限性能測試技術(shù)提出了需求。隨著機(jī)器人工作環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，對機(jī)器人關(guān)節(jié)的極限性能提出了更多需求。但與之相矛盾的是目前對關(guān)節(jié)的抗沖擊、抗過載和壽命等性能指標(biāo)的測試技術(shù)幾乎為空白。因此解決這個(gè)矛盾，滿足極限性能測試的需求是今后一個(gè)時(shí)期的核心問題。
(4)需要建立面向機(jī)器人關(guān)節(jié)的測試標(biāo)準(zhǔn)。目前工業(yè)領(lǐng)域?qū)C(jī)器人關(guān)節(jié)的測試標(biāo)準(zhǔn)呼聲較高，需要行業(yè)內(nèi)加強(qiáng)合作，深入研究關(guān)節(jié)測試方法，共同推進(jìn)面向全局的機(jī)器人關(guān)節(jié)測試方法標(biāo)準(zhǔn)的建立。
五、結(jié)論
本文圍繞機(jī)器人關(guān)節(jié)測試原理、測試方法和測試設(shè)備三方面對關(guān)節(jié)測試技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)。關(guān)節(jié)測試技術(shù)多源于精密減速器和電機(jī)測試技術(shù)，但單一部件的性能不能反映關(guān)節(jié)的質(zhì)量，需要對關(guān)節(jié)整機(jī)進(jìn)行測試。在關(guān)節(jié)傳動精度測試中，關(guān)節(jié)內(nèi)部角度編碼器的精度和有無以及關(guān)節(jié)電力響應(yīng)速度等問題都會影響測試結(jié)果，這也是關(guān)節(jié)傳動精度的測試難點(diǎn)。總結(jié)了測試設(shè)備現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)了行業(yè)對關(guān)節(jié)測試設(shè)備需求的緊迫性。對測試技術(shù)的難點(diǎn)問題進(jìn)行了分析，指出了測試方法不完善、缺乏綜合性能測試設(shè)備、關(guān)節(jié)配置不足、數(shù)據(jù)運(yùn)用不足、云平臺技術(shù)缺乏以及還未標(biāo)準(zhǔn)化六個(gè)難點(diǎn)問題。展望了關(guān)節(jié)測試技術(shù)的發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)正朝著解決測試技術(shù)的難點(diǎn)的方向發(fā)展。
(省略參考文獻(xiàn)49篇)