腿足式机器人一体化液压伺服驱动器性能测试平台

摘要

本发明公开了一种腿足式机器人一体化液压伺服驱动器性能测试平台，包括测试台支撑底座，测试台支撑底座一端设有竖直向上凸起的测试台侧面支耳，测试台支撑底座上部固定安装有平行设置的直线导轨和磁致伸缩位移传感器，直线导轨一端紧靠在测试台侧面支耳侧面上，直线导轨上卡有若干能沿其移动的滑块，滑块上固定有质量块。该平台用于测试装配完成的一体化液压伺服驱动器的频率响应，速度控制性能，动态力控制性能和动态位置控制性能，平台结构简单，紧凑、使用方便，较快获得一体化液压驱动器的动态性能参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种一体化液压伺服单元性能测试设备，尤其是一种腿足式机器人一体化 液压伺服驱动器性能测试平台。

背景技术

目前，BigDog的巨大成功在国际机器人界引起了极大轰动，包括我国在内的多个国家 快速提出了相关科技计划，掀起了高性能液压驱动仿生机器人的研究热潮，并已研制出多 台机器人样机。足式移动机器人具有适应复杂地形、运动灵活和越障能力强等方面的巨大 优势，在非结构环境下的军事-民用物质运输、野外勘探和探险、救援救灾等领域具有广阔 的应用前景。然而，高性能液压驱动足式机器人的任何部件、任何单元的缺陷都有可能导 致严重的问题，需要在装配、集成之前对关键部件、关键单元的性能、品质进行严格的测 试。传统的传感器标定只是静态标定，根据商家提供的标定报告，只能获得位移传感器和 力传感器的静态参数。目前还没有针对装配完成的足式机器人液压伺服驱动器性能测试的 平台。随着液压驱动足式机器人技术的逐步成熟和机器人制造业的迅猛发展，目前迫切需 要一种用于装配完成的足式机器人液压伺服驱动器性能测试的平台，满足机器人对液压驱 动装置高速响应特性的特殊要求。

中国专利申请CN102841602A公开了一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台及方 法，该平台包括门式三坐标机械臂总成、机器人腿连接支架、Stewart平台、六维力传感器、 机器人单腿总成、五维测力平台;所述Stewart平台内部集成伺服控制器、位移传感器；Stewart 平台倒置安装在机器人腿支架的底座上，机器人单腿总成下方为中心的地面上安装五维测力 平台，机器人腿连接支架通过机器人腿连接支架固定在门式三坐标机械臂总成的Z轴方向移 动支撑架总成上。该单腿总成控制开发性能测试平台主要用于足式机器人仿生步态生成中单 腿运动与快速步态控制，以及机器人载荷分配、控制力分配、单腿力反馈控制、“离散步态+ 连续力控制”姿态稳定控制等多项控制策略的开发与研究。控制策略可以施加给机器人系统 的前提是液压伺服驱动器可以正常运转，并且运动特性已知，但是该测试平台本身不能用于 腿足式机器人一体化液压伺服驱动器性能测试。

中国专利申请CN102840959A公开了一种机器人单腿冲击控制实验平台，它包括一个集 成控制器、一个机器人腿提升装置、一个试验台支架、静态加载装置、一个六维力传感器、 一个五维力测力平台；所述试验台支架包括试验台支架底座和试验台支架立柱；其中，所述 集成控制器固定在试验台支架底座上，所述机器人腿提升装置固定在试验台支架上，所述静 态加载装置固定在机器人腿提升装置上，所述六维力传感器安装在提升装置和机器人躯干之 间，所述五维测力平台固定在六维力传感器下方的地面上。该单腿冲击控制实验台，适用于 腿足式机器人在短时大冲击力作用下单腿的结构稳定性测试、液压系统可靠性测试、不同恒 定负载下单腿弹跳运动的动态响应特性测试，单腿力反馈控制等多项控制策略的开发与研究。 机器人单腿弹跳运动的动态响应特性测试的前提是机器人一体化液压伺服驱动器的动态性能 已知，但是该测试平台本身不能测定腿足式机器人一体化液压伺服驱动器的动态性能，并且 目前还没有针对装配完成的足式机器人液压伺服驱动器性能测试的平台。

中国专利申请CN102830699A公开了一种机器人单关节液压力及位置控制实验平台，它 包括悬臂支架、第一液压伺服驱动单元、力矩电机及配套控制器、角位移传感器支架、角位 移传感器、摆动单元、若干套筒；悬臂支架的底座固定在地面上，角位移传感器支架、力矩 电机及配套控制器固定在悬臂支架的悬臂端，角位移传感器固定在角位移传感器支架上且与 力矩电机输出轴连接，摆动单元及套筒串联在力矩电机的输出轴上，第一液压伺服驱动单元 一端与悬臂支架支耳连接，另一端与摆动单元连接。该机器人单关节液压力及位置控制实验 平台适用于机器人关节控制方法的开发与测试，可以模拟机器人操作臂不同位形下的关节转 动惯量的变化。这些都要求液压伺服驱动器正常运转，并且运动特性已知。而该实验平台本 身不能测定腿足式机器人一体化液压伺服驱动器的性能。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种腿足式机器人一体化液压伺服 驱动器性能测试平台，该平台用于测试装配完成的一体化液压伺服驱动器的频率响应，速 度控制性能，动态力控制性能和动态位置控制性能，平台结构简单，紧凑、使用方便，较 快获得一体化液压驱动器的动态性能参数。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种腿足式机器人一体化液压伺服驱动器性能测试平台，包括测试台支撑底座，测试 台支撑底座一端设有竖直向上凸起的测试台侧面支耳，测试台支撑底座上部固定安装有平 行设置的直线导轨和磁致伸缩位移传感器，直线导轨一端紧靠在测试台侧面支耳侧面上， 直线导轨上卡有若干能沿其移动的滑块，滑块上固定有质量块。

所述测试台侧面支耳上开有第一卡槽，第一卡槽两侧设有通孔。

所述直线导轨的端面呈工字型。

所述滑块设有两个，每个滑块的上表面均为平面，其上设有若干螺纹孔。

所述质量块上设有若干与滑块上的螺纹孔相对应的孔。

所述质量块的一端设有第一支耳，质量块下表面一侧设有能够套在磁致伸缩位移传感 器的伸缩杆上的第二支耳。

所述第一支耳上设有第二卡槽，第二卡槽的两侧设有连接孔。

使用时，将本发明的测试台支撑底面直接固定在水平地座上，或者固定在工作面与水 平面平行的或者成一定角度的工作台上（工作台与水平面的夹角θ已知）。直线导轨固定在 测试台支撑底座上。高精度的磁致伸缩位移传感器的固定部分与直线导轨平行，固定在测 试台支撑底座上，高精度的磁致伸缩位移传感器的可移动部分与质量块第二支耳相连。质 量块固定在直线导轨配套的两个滑块上，滑块的质量及滑块与直线导轨之间的摩擦系数变 化曲线已知。一体化液压伺服驱动器的油缸与测试台的侧面支耳相连，活塞杆与质量块第 一支耳相连。一体化液压伺服驱动器包括，一个活塞杆，一个力传感器，一个线位移传感 器，一个电液伺服阀，一个液压缸。其为现有机构，不再赘述。

磁致伸缩位移传感器是利用两个不同磁场相交时产生的应变脉冲信号被检测到的时间 来计算出磁场相交点的准确位置。一个磁场来自传感器电子仓的电子部件所产生的脉冲激 励，该激励脉冲产生的磁场沿着传感器测杆内用高磁致伸缩材料制成的波导丝以光速自电 子仓端向尾端前进，当与活动的永久磁场（该永磁铁一般安装在需要检测位置的动板上） 相交时，由于磁致伸缩现象，波导丝在相交点产生一个机械应变脉冲，并以声速从此点经 波导丝向电子仓端回传，该应变脉冲被电子仓中的检测电路探测到。因此，从发射一个主 动脉冲波到接收到一个应变脉冲波，这之间的时间就是声速在波导丝中传递的时间（此处 已忽略了主动波运行的时间，实际影响只有0.0001%），已知声速（固定量为3000m/s）和 传递时间，这一距离就当然确定了。当永磁铁运动至新的位置时，重新确定上述测量。因 此，磁致伸缩位移传感器具有高精度、高响应、低迟滞、高可靠性、非接触、寿命长、稳 定性高、安装方便等优点，无须重新标定，无须定期维护，因而被精确测量领域广泛采用。

本发明使用磁致伸缩高精度位移传感器以高采样频率测量质量块的位移，标定一体化 液压伺服驱动器的线位移传感器；根据磁致伸缩高精度位移传感器输出的位移变化信息， 计算质量块速度、加速度，计算获得一体化液压驱动器的动态性能参数。

一体化液压伺服驱动器在伺服控制系统的控制下进行位移跟踪闭环，力闭环运动。提 取磁致伸缩高精度位移传感器、一体化液压伺服驱动器的线位移传感器、力传感器信息， 可以测试液压伺服驱动器的频率相应特性、速度控制特性、动态力控制特性和位置控制特 性。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出的一体化液压伺服驱动器测试平台结构简单，紧凑、使用方便的优点。

(2)本发明是用磁致伸缩高精度位移传感器，标定一体化液压伺服驱动器的线位移传感 器，并根据磁致伸缩高精度的位移传感器输出的位移变化信息，计算质量块的速度、加速 度，计算获得一体化液压驱动器的动态性能参数。

附图说明

图1为一体化液压伺服驱动器性能测试平台示意图；

图2为一体化液压伺服驱动器测试台本体示意图；

图3为质量块示意图；

图4为一体化液压伺服驱动器示意图。

图中：1.质量块，2.一体化液压伺服驱动器，3.测试台本体，4.直线导轨，5.滑块， 6.测试台侧面支耳，7.测试台支撑底座，8.磁致伸缩位移传感器，9.质量块第一支耳， 10.质量块第二支耳，11.螺纹孔，12.力传感器，13.活塞杆，14.线位移传感器，15.电液 伺服阀，16.液压缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，足式机器人液压伺服驱动器性能测试平台包括，一个已知质量的质量块1， 一个一体化液压驱动单元2，一个测试台本体3。如图2所示，一个测试台本体3包括，一 个直线导轨4，两个滑块5，一个测试台支撑底座7、一个测试台侧面支耳6，一个高精度 磁致伸缩位移传感器8。测试台支撑底座7一端设有竖直向上凸起的测试台侧面支耳6，测 试台支撑底座7上部固定安装有平行设置的直线导轨4和磁致伸缩位移传感器8，直线导轨 4一端紧靠在测试台侧面支耳6侧面上，直线导轨4上卡有若干能沿其移动的滑块5，滑块 5上固定有质量块1。测试台侧面支耳6上开有第一卡槽，第一卡槽两侧设有通孔。直线导 轨4的端面呈工字型。每个滑块5的上表面均为平面，其上设有若干螺纹孔。

如图3所示，质量块1包含第一支耳9，第二支耳10，八个与滑块上的螺纹孔相对应 螺纹孔11。质量块1的一端设有第一支耳9，质量块1下表面一侧设有能够套在磁致伸缩 位移传感器8的伸缩杆上的第二支耳10。第一支耳上8设有第二卡槽，第二卡槽的两侧设 有连接孔。

如图4所示，一体化液压伺服驱动器2包括，一个活塞杆13，一个力传感器12，一个 线位移传感器14，一个电液伺服阀15，一个液压缸16。其为现有机构，在此不再赘述。

应用时，测试台支撑底座7直接固定在水平地面上，或者固定在工作面与水平面平行 的或者成一定角度的工作台上（工作台与水平面的夹角θ已知）。直线导轨4固定在测试台 支撑底座7上。高精度的磁致伸缩位移传感器8的固定部分与直线导轨4平行，固定在测 试台支撑底座7上，高精度的磁致伸缩位移传感器8的可移动部分与质量块第二支耳相连 10。质量块1固定在直线导轨配套的两个滑块上5，滑块5的质量及滑块5与直线导轨4之 间的摩擦系数变化曲线已知。一体化液压伺服驱动器2的油缸16与测试台侧面支耳6相连， 活塞杆13与质量块第一支耳9相连。

本发明使用磁致伸缩高精度位移传感器8以高采样频率测量质量块1的位移，标定一 体化液压伺服驱动器的线位移传感器14；根据磁致伸缩高精度位移传感器8输出的位移变 化信息，计算质量块1速度、加速度，计算获得一体化液压驱动器2的动态性能参数。

一体化液压伺服驱动器2在伺服控制系统的控制下进行位移跟踪闭环，力闭环运动。 提取磁致伸缩高精度位移传感器8、一体化液压伺服驱动器的线位移传感器14、力传感器 信息13，可以测试液压伺服驱动器2的频率相应特性、速度控制特性、动态力控制特性和 位置控制特性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。