本發明涉及一種柔性軟驅動傳動性能測試平臺，是一種能夠測試柔性軟驅動裝置傳動力輸出特性、運動輸出特性及傳動效率等傳動性能的高度集成化的測試平臺。

背景技術：

專利“柔性蠕動的管道機器人(ZL200810106352)”，提出了一種柔性軟驅動裝置，該裝置可以在彎曲的狀態下仍然能夠實現螺旋傳動功能。這種柔性軟驅動具有廣泛的應用前景，如在管道機器人應用、曲線運動傳動應用等場合。該柔性軟驅動裝置雖然結構新穎，但是對其傳動性能的研究尚處于起步階段，關于這種柔性軟驅動裝置的傳動性能的專用測試平臺尚處空白，限制了對該柔性軟驅動裝置傳動性能的進一步深入研究。

為了獲取這種柔性軟驅動裝置的傳動性能參數，以便深入開展其相關理論和方法的研究工作，有必要設計一種測試平臺，通過實驗來開展對這種柔性軟驅動裝置傳動性能及傳動參數進行測試，并通過實驗評估設計參數及工作條件對對其傳動效果的影響。本測試平臺滿足這一實際需求，并模擬了軟驅動機構多種工作情況，設計了不同測試模塊來實際測量軟驅動裝置傳動過程中的各項工作參數，可滿足對該裝置的研究需求。

技術實現要素：

技術問題：柔性軟驅動是一種結構新穎的傳動裝置，通過軟軸的可變形特性，該裝置實現了彎曲狀態下的運動傳遞。但關于該傳動機構的傳動特性的測試平臺尚處空白。本發明創造性地提出了一種柔性軟驅動傳動性能測試平臺。該測試平臺能夠測量柔性軟驅動機構動力輸出特性、運動輸出特性及傳動效率，可滿足對該類機構的傳動性能的評估測試。

技術方案：一種柔性軟驅動傳動性能測試平臺，本測試平臺主要包括機架(1)、柔性軟驅動主體(2)、同步傳動裝置(3)、動力系統(4)、直線軌跡行程導引及測量模塊(5)、彎曲軌跡行程導引及測量模塊(6)六個部分。

機架(1)主要包括支撐板a(101)、支撐板b(102)、支撐板c(103)、底座a(104)、底座b(105)、支腳(106)及主安裝座(107)。底座a(104)上開設有兩條平行導向槽a(108)，支撐板b(102)及支撐板c(103)分別嵌入在導向槽a(108)內，并通過支腳(106)與底座a(104)固連；底座b(105)上開設有導向槽b(109)，支撐板a(101)嵌入在導向槽b(109)內并通過支腳(106)與底座b(105)固連；底座a(104)和底座b(105)通過螺栓固定在主安裝座(107)上。

柔性軟驅動主體(2)主要包括軟軸螺旋傳動裝置(2X)、編碼器支架a(204)、小型編碼器(206)、軸承a(207)、軸承蓋a(208)、軸承蓋b(203)、軸承b(215)、彈簧座(209)、滑環(214)。軟軸螺旋傳動裝置(2X)由軟軸(201)、螺母(202)、滾子(212)、擋蓋(213)組成；螺母(202)一端開有鍵槽(216)；滾子(212)與小型軸承(211)配合后安裝于螺母(202)孔中，滾子(212)一端突出螺母(202)外表面，一端突出螺母(202)內表面。軟軸(201)穿過螺母(202)并與滾子(212)嚙合構成螺旋傳動。小型編碼器(206)外殼通過編碼器支架a(204)固定在軟軸螺旋傳動裝置(2X)的螺母(202)上。小型編碼器(206)的信號輸出線纜(205)與滑環(214)連接?；h(214)由固定片(214a)、轉動片(214b)組成；固定片(214a)與轉動片(214b)之間通過滑動金屬觸點(214c)進行電氣連接?；h的固定片(214a)與機架的支撐板c(103)固連，轉動片(214b)與螺母(202)固連。

同步傳動裝置(3)主要包括漲緊輪調節螺栓(301)、大同步帶輪(302)、漲緊輪(303)、漲緊輪盒(304)、調節滑塊(305)、小同步帶輪(306)、同步帶a(307)。漲緊輪盒(304)利用螺栓固定在支撐板c(103)上。調節滑塊(305)可以沿張緊輪盒(304)長度方向移動，其移動距離由漲緊輪調節螺栓(301)控制。

動力系統(4)主要包括編碼器b(401)、編碼器支架b(402)、電機(403)、聯軸器a(404)、扭矩傳感器(405)、扭矩傳感器支架(406)、聯軸器b(407)、軸承c(408)、軸承蓋c(409)、傳動軸(410)。

直線軌跡行程導引及測量模塊(5)包括皮帶夾a(501)、帶輪(502)、帶輪支架(503)、支架座(504)、編碼器c(505)、編碼器支架c(506)、摩擦塊(507)、直線導軌(508)、鋼軸(509)、同步帶b(510)、導軌支架(511)、皮帶夾b(512)、直線軸承(513)、滑塊(514)、力傳感器a(515)。

彎曲軌跡行程導引及測量模塊(6)包括固定支架(601)、摩擦片(602)、壓片(603)、旋轉滑塊(604)、編碼器支架d(605)、編碼器d(606)、懸臂(607)、力傳感器b(608)。

有益效果：通過上述設計方案，本發明具有以下有益效果：

1、模擬多種工況。本發明測試平臺的設計全面考慮了柔性軟驅動在實際運作時可能遇到的多種情況，其主要包括柔性軟驅動不同運動軌跡(如直線運動軌跡及不同曲率半徑運動軌跡條件下)及不同負載條件下的動力輸出特性、運動傳遞特性、傳動效率。。

2、結構簡單，可測試參數多。本發明測試平臺通過簡單的機械結構直接或間接獲得軟驅動機構驅動性能的相關大量數據；利用多個小型旋轉編碼器同時測量滾動螺母體中不同位置的滾子的轉速，從而間接推導出滾子在柔性軟驅動工作時的運動狀態，有助于探究柔性軟驅動力傳遞機理，從而了解滾子在不同驅動力矩作用下打滑或是阻塞對傳動效率的影響。螺母轉動時小型編碼器隨同一起轉動會發生信號線和電源線甩線的現象，為了避免這種情況的產生，設計了帶有11路引線的滑環。該滑環不僅質量輕薄，而且成本較低，在軸向空間狹小且中空的環境下有不可替代的作用。機架的設計采用了多個支撐板件通過支腳拼接的方法，配合套筒的使用，可以適用于不同規格的軟驅動系統的測試。

附圖說明

圖1為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺整體結構示意圖。

圖2為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺機架結構示意圖。

圖3為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺柔性軟驅動主體剖視圖。

圖4為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺軟軸螺旋傳動裝置示意圖。

圖5為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺軟軸螺旋傳動裝置滾子結構示意圖。

圖6為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺的同步傳動裝置示意圖。

圖7為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺的動力系統組成示意圖。

圖8為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺的直線軌跡行程導引及測量模塊示意圖。

圖9為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺的彎曲軌跡行程導引及測量模塊示意圖。

圖10為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺的直線軌跡測試示意圖。

圖11為本發明柔性軟驅動傳動性能測試平臺的彎曲軌跡測試示意圖。

圖中有1.機架、2.柔性軟驅動主體、3.同步傳動裝置、4.動力系統、5.直線軌跡行程導引及測量模塊、6.彎曲軌跡行程導引及測量模塊；101.支撐板a、102.支撐板b、103.支撐板c、104.底座a、105.底座b、106.支腳、107.主安裝座、108.導向槽a、109.導向槽b；2X.軟軸螺旋傳動裝置、201.軟軸、202.螺母、203.軸承蓋b、204.編碼器支架a、205.信號輸出線纜、206.小型編碼器、207.軸承a、208.軸承蓋a、209.彈簧座、210.小彈簧、211.小型軸承、212.滾子、213.擋蓋、214.滑環、214a.固定片、214b.轉動片、214c.滑動金屬觸點、215.軸承b、216.鍵槽、217.擋圈；301、張緊輪調節螺栓、302.大同步帶輪、303.漲緊輪、304.漲緊輪盒、305.調節滑塊、306.小同步帶輪、307.同步帶a；401.編碼器b、402.編碼器支架b、403.電機、404.聯軸器a、405.扭矩傳感器、406.扭矩傳感器支架、407.聯軸器b、408.軸承c、409.軸承蓋c、410.傳動軸；501.皮帶夾a、502.帶輪、503.帶輪支架、504.支架座、505.編碼器c、506.編碼器支架c、507.摩擦塊、508.直線導軌、509.鋼軸、510.同步帶b、511.導軌支架、512.皮帶夾b、513.直線軸承、514.滑塊、515.力傳感器a；601.固定支架、602.摩擦片、603.壓片、604.旋轉滑塊、605.編碼器支架d、606.編碼器d、607.懸臂、608.力傳感器b。

具體實施方式

如圖1所示的柔性軟驅動傳動性能測試平臺主要用于柔性軟驅動機構傳動力輸出特性、運動輸出特性及傳動效率等傳動性能測試。本柔性軟軸驅動性能測試平臺由機架1、柔性軟驅動主體2、同步傳動裝置3、動力系統4、直線軌跡行程導引及測量模塊5、彎曲軌跡行程導引及測量模塊6六個部分組成。

如圖2所示的機架主要包括支撐板a(101)、支撐板b(102)、支撐板c(103)、底座a(104)、底座b(105)、支腳(106)及主安裝座(107)。底座a(104)上開設有兩條平行導向槽a(108)，支撐板b(102)及支撐板c(103)嵌入在導向槽a(108)內，并通過支腳(106)與底座a(104)固連。底座b(105)上開設有導向槽b(109)，支撐板a(101)嵌入在導向槽b(109)內并通過支腳(104)與底座b(105)固連。底座a(104)和底座b(105)通過螺栓固定在主安裝座(107)上。

圖3、圖4、圖5反映的是柔性軟驅動主體(2)。柔性軟驅動主體(2)主要包括軟軸螺旋傳動裝置(2X)、編碼器支架a(204)、小型編碼器(206)、軸承a(207)、軸承蓋a(208)、軸承蓋b(203)、軸承b(215)、彈簧座(209)、滑環(214)。其中軟軸螺旋傳動裝置(2X)由軟軸(201)、螺母(202)、滾子(212)、擋蓋(213)組成；螺母(202)一端開有鍵槽(216)；滾子(212)與小型軸承(211)配合后安裝于螺母(202)孔中，其一端突出螺母(202)外表面，一端突出螺母(202)內表面。軟軸(201)一端安裝有彈簧座(209)，另一端則穿過螺母(202)與滾子(212)形成螺旋傳動。編碼器支架a(204)固定在軟軸螺旋傳動裝置(2X)的螺母(202)上；滑環(214)由固定片(214a)、轉動片(214b)組成；滑環的固定片(214a)與機架的支撐板c(103)固連，轉動片(214b)與螺母(202)固連，固定片(214a)與轉動片(214b)之間通過滑動金屬觸點(214c)進行電氣連接。小型編碼器(206)外殼通過編碼器支架a(204)固定在軟軸螺旋傳動裝置(2X)的螺母(202)上；小型編碼器(206)的輸入軸與突出螺母(202)表面的滾子(212)一端固連；小型編碼器(206)的信號輸出線纜(205)與滑環(214)的轉動片(214b)連接。

如圖1及圖3所示，軸承a(207)與軸承b(215)內圈分別安裝于軟軸螺旋傳動裝置(2X)的螺母(202)兩端。軸承a(207)與軸承b(215)外圈分別安裝于支撐板b102、支撐板c103；軸承蓋a(208)、軸承蓋b(203)則穿過螺母(202)分別與支撐板b(102)和支撐板c(103)固定，實現對軸承a(207)與軸承b(215)的軸向固定。

圖6反映的是同步傳動裝置(3)。同步傳動裝置(3)包括張緊輪調節螺栓(301)、大同步帶輪(302)、漲緊輪(303)、漲緊輪盒(304)、調節滑塊(305)、小同步帶輪(306)、同步帶a(307)。同步帶a(307)與大同步帶輪(302)、小同步帶輪(306)構成同步帶傳動系統。漲緊輪(303)安裝在調節滑塊(305)上，并可相對調節滑塊(305)轉動。調節滑塊(305)安裝在漲緊輪盒(304)內部，并可以沿張緊輪盒(304)長度方向移動，其移動距離由漲緊輪調節螺栓(301)控制，漲緊輪盒(304)則固定于支撐板a(101)上；通過調節滑塊(305)的運動可實現對同步帶傳動系統的漲緊。

如圖6所示大同步帶輪(302)與螺母(202)通過鍵槽(216)實現周向固連，小同步帶輪(306)則與傳動軸(410)固連。

圖7反映的是動力系統(4)，主要包括編碼器b(401)、編碼器支架b(402)、電機(403)、聯軸器a(404)、扭矩傳感器(405)、扭矩傳感器支架(406)、聯軸器b(407)、軸承c(408)、軸承蓋c(409)、傳動軸(410)。編碼器b(401)外殼通過編碼器支架b(402)固定于電機(403)外殼上，編碼器b(401)輸入軸則與電機(403)轉軸連接。扭矩傳感器(405)的輸入軸通過聯軸器a(404)與電機(403)輸出軸連接，扭矩傳感器(405)的輸出軸則通過聯軸器b(407)與傳動軸(410)連接。

如圖1所示電機(403)通過支撐板a(101)固定在底座b(105)上，扭矩傳感器(405)通過扭矩傳感器支架(406)固定在主安裝座(107)上。傳動軸(410)則通過軸承c(408)和軸承蓋c(409)與支撐板c(103)實現徑向固定。

圖8所示的是直線軌跡行程導引及測量模塊(5)，主要包括皮帶夾a(501)、帶輪(502)、帶輪支架(503)、支架座(504)、編碼器c(505)、編碼器支架c(506)、摩擦塊(507)、直線導軌(508)、鋼軸(509)、同步帶b(510)、導軌支架(511)、皮帶夾b(512)、直線軸承(513)、滑塊(514)、力傳感器a(515)。帶輪(502)安裝在帶輪支架(503)上并構成轉動連接。編碼器c(505)外殼通過編碼器支架c(506)與帶輪支架(503)固連，編碼器c(505)的輸入軸則與帶輪(502)固連。帶輪支架(503)通過支架座(504)固定于主安裝座(107)上。直線導軌(508)一端固定于帶輪支架(503)上，另一端則通過導軌支架(511)固定于主安裝座(107)上。直線軸承(513)與導軌(508)形成滑動連接，直線軸承(513)上安裝有滑塊(514)。鋼軸(509)穿過滑塊(514)與帶輪支架(503)固連。同步帶b(510)與帶輪(502)嚙合，同步帶b(510)一端與皮帶夾a(501)固連，另一端與皮帶夾b(512)固連；皮帶夾b(512)則與滑塊(514)固連。力傳感器a(515)一端與滑塊(514)固連，另一端則與彈簧座(209)固連。

圖9反映的是彎曲軌跡行程導引及測量模塊(6)，包括固定支架(601)、摩擦片(602)、壓片(603)、旋轉滑塊(604)、編碼器支架d(605)、編碼器d(606)、懸臂(607)、力傳感器b(608)。固定支架(601)通過螺栓與主安裝座(107)固連，懸臂(607)一端通過旋轉滑塊(604)與固定支架(601)旋轉連接，懸臂(607)另一端則安裝有力傳感器b(608)；編碼器d(606)外殼通過編碼器支架d(605)與旋轉滑塊(604)連接，編碼器d(606)輸入軸與固定支架(601)連接。摩擦片(602)與壓片(603)固定于固定支架(601)與旋轉滑塊(604)之間，摩擦片(602)可在壓片(603)的推動下沿固定支架(601)軸線移動并壓緊旋轉滑塊(604)，提高懸臂(607)與固定支架(601)間的摩擦力。懸臂(607)可繞固定支架(601)軸線轉動，從而帶動編碼器d(606)外殼轉動，從而實現對懸臂(607)相對于固定支架(601)轉動角度的測量。

柔性軟驅動傳動性能測試平臺的具體測試過程描述如下：

如圖10所示，在直線運動軌跡測試模式下，皮帶夾a(501)下掛載有負載，負載通過同步帶b(510)、皮帶夾b(512)及力傳感器a(515)作用于軟軸(201)。測試平臺啟動后，動力系統(4)通過同步傳動裝置(3)帶動柔性軟驅動主體(2)的螺母(202)旋轉，螺母(202)的旋轉帶動滾子(212)轉動，由于滾子(212)與軟軸(201)構成螺旋傳動，則軟軸(201)在滾子(212)的推動下拖動負載沿直線導軌(508)運動。運動過程中，軟軸(201)輸出的力通過力傳感器a(515)測量，軟軸(201)的移動速度則通過同步帶b(510)與帶輪(502)的嚙合傳動帶動編碼器c(505)輸入軸轉動測得。在直線運動過程中，滾子(212)相對于螺母(202)的轉動速度則通過小型編碼器(206)測量得到，由于小型編碼器(206)在測量過程中隨螺母(202)一起轉動，所以其信號的傳遞通過滑環(214)實現。對于螺母(202)的轉動速度，則通過動力系統(4)中的編碼器b(401)測量并經過計算得到。螺母(202)的驅動扭矩通過扭矩傳感器(405)測量電機(403)的輸出力矩計算而得。

如圖11所示，在曲線運動軌跡測試模式下，軟軸(201)一端通過彈簧座(209)與安裝于懸臂(607)的力傳感器b(608)連接。測試平臺啟動后，動力系統(4)通過同步傳動裝置(3)帶動柔性軟驅動主體(2)的螺母(202)旋轉，螺母(202)的旋轉帶動滾子(212)轉動，由于滾子(212)與軟軸(201)構成螺旋傳動，則軟軸(201)將推動懸臂(607)繞固定支架(601)軸線旋轉，從而實現軟軸(202)的曲線傳動。運動過程中，軟軸(201)輸出的力通過力傳感器b(608)測量，軟軸(201)末端的移動位移及速度則通過與懸臂(607)連接的編碼器d(606)測得；與直線軌跡測試類似，在曲線運動過程中，滾子(212)相對于螺母(202)的轉動速度則通過小型編碼器(206)測量得到；對于螺母(202)的轉動速度，則通過動力系統(4)中的編碼器b(401)測量并經過計算得到。