面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置

摘要

本发明公开了面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，包括模拟风场调整机构、后轮驱动移动机构和测试切换机构。模拟风场调整机构包括结构相同且彼此相互转动的上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置，上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均设有角度可调的管道鼓风机，管道鼓风机所产生的层流风场耦合形成瑞流风场；测试切换机构包括二轴测试平台、六轴测试平台和用于实现二轴测试平台与六轴测试平台平稳切换的双滑块结构，风驱动机器人安装于测试切换机构上。本模拟风场实验测试装置能够实现风驱动机器人静态稳定性测试和运动特性测试，有效缩短风驱动机器人的研发周期和实验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验测试装置，尤其是面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置。

背景技术

极地蕴藏着巨量的自然、科学资源。然而，极地地区环境十分恶劣，高寒低氧、极端天气等条件下，科考人员的生命随时都可能受到威胁，这极大地制约着人类科学考察活动的开展。

而随着极地研究规模和机器人运用技术的发展，智能机器人逐渐代替科学家来承担更多的科学研究任务，在极地地区进行观测、巡游、采样和分析。在南极，风力资源十分丰富，具有分布范围广、平均风速高(最大风速能达160km/h)等特点。如果采用南极自然环境中，可以说是“取之不尽，用之不竭”的风能作为驱动能源，机器人的活动将不再受能源因素的制约，从而大大扩大活动范围和活动时间，甚至可以实现机器人在冰盖中的“无限”续航探测。

该类机器人的特点是完全由风力提供动力，因此为研究出能够在极地执行巡航探测任务的机器人，必须设计针对风驱动机器人的专用测试装置来模拟外部真实风场，从而减少机器人进行实地实验的难度和成本。而目前的模拟外部真实风场的装置难以满足科研需要。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本实发明提出了一种面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置。本模拟风场实验测试装置能够实现风驱动机器人静态稳定性测试和运动特性测试，有效缩短风驱动机器人的研发周期和实验成本。

本发明采用如下技术方案：

面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，包括用于模拟风场可调的模拟风场调整机构、用于实现动态风场的后轮驱动移动机构和用于实现风驱动机器人的二轴测试和六轴测试的测试切换机构；

所述模拟风场调整机构包括结构相同且彼此相互转动的上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置，上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均设有角度可调的管道鼓风机，管道鼓风机所产生的层流风场耦合形成瑞流风场；

所述测试切换机构包括二轴测试平台、六轴测试平台和用于实现二轴测试平台与六轴测试平台平稳切换的双滑块结构，风驱动机器人安装于测试切换机构上。

所述上层模拟风场调整装置包括上层机架驱动电机、上层机架，所述下层模拟风场调整装置包括下层驱动电机、下层机架；

下层驱动电机驱动下层机架的主动齿轮转动，主动齿轮啮合有从动齿轮，从动齿轮带动下层机架转动，实现下层流风场相对于后轮驱动移动机构运动；

上层机架驱动电机安装于下层机架上，上层机架驱动电机驱动上层机架主动齿轮转动，主动齿轮啮合有从动齿轮，从动齿轮带动上层机架转动，实现上层流风场与下层流风场间的相互运动。

所述上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均包括下层驱动电机、下层机架、X方向调整装置、Z1方向调整装置、Z2方向调整装置、滑块摇杆机构；

所述X方向调整装置包括X方向单轴机器人，X方向单轴机器人安装在上层机架或下层机架的一端，X方向单轴机器人连接有X方向滑架并驱动其沿X方向滑动；

所述Z1方向调整装置包括安装于X方向滑架上的Z1方向安装板，Z1方向安装板安装有Z1方向单轴机器人，Z1方向单轴机器人连接有Z1方向滑架并驱动其沿Z1方向滑动；

所述Z2方向调整装置包括安装于Z1方向滑架上的Z2方向安装板，Z2方向安装板安装有Z2方向单轴机器人；

所述滑块摇杆机构包括连杆、固定在连杆顶端的关节轴承、导向轴、安装有管道鼓风机的鼓风机安装板，Z2方向单轴机器人连接连杆并驱动连杆沿Z方向移动，导向轴一端活动连接在关节轴承的轴承孔内，另一端与鼓风机安装板固定连接，鼓风机安装板与Z1方向滑架通过转动销相连。

所述关节轴承与导向轴间将发生相互移动和转动，从而控制鼓风机安装板相对于Z1方向滑架转动到指定角度，管道鼓风机随鼓风机安装板的运动而改变空间位姿。

所述管道鼓风机通过鼓风机安装板上的安装槽及肘夹固定于鼓风机安装板上，管道鼓风机的法兰与安装槽配合使管道鼓风机的自动定心及轴向基准定位；

所述肘夹有三个，三个肘夹沿周向45°均布管道鼓风机四周，约束其周向位移和径向转动。

所述上层机架或下层机架的另一端设有平衡块驱动机器人，平衡块驱动机器人连接平衡块并驱动其沿X方向滑动，平衡块为管道鼓风机提供平衡力矩。

所述后轮驱动移动机构包括车轮、底座、转动轴承、车轮连接块；

车轮的轮轴与转动轴承实现轴孔连接，转动轴承固定于车轮连接块上，车轮连接块通过螺钉旋配方式与底座固定，车轮相对于底座可绕各自轮轴轴线进行转动，实现测试装置的轮式移动；

所述车轮中后轮的轮轴通过轮轴联轴器与后轮转动电机连接，传递后轮转动电机的输出扭矩和运动，通过后轮差速控制实现后轮驱动移动机构的直线运动和转弯运动。

所述测试切换机构包括双滑块机构、二轴测试平台和六轴测试平台以及固定轮系传动机构；

所述测试切换机构左右两侧均包含两个双滑块机构，双滑块机构的从动滑块分别与二轴测试平台和六轴测试平台固定连接，双滑块机构连接有同一驱动滑块并由其带动；

所述驱动滑块与固定轮系传动机构连接并输出固定轮系传动机构的运动和转矩，传递至从动滑块从而实现二轴测试平台与六轴测试平台沿z方向反向运动，即当二(六)轴测试平台连续上升时，六(二)轴测试平台连续下降。

所述测试切换机构包括风向风速仪，风向风速仪采用快拆式柱塞结构安装于测试切换机构上，检测模拟风场位置调整时风驱动机器人安装处的风速风向。

所述固定轮系传动机构包括主动齿轮，主动齿轮连接切换机构转动电机；

所述主动齿轮左侧依次设有相互啮合的左侧惰轮、左侧从动齿轮，主动齿轮右侧依次设有相互啮合的右侧惰轮、反向惰轮、右侧从动齿轮；

所述左侧从动齿轮、右侧从动齿轮分别连接从动滑块。

所述上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置所产生的层流风场风向与水平面平行时，俯仰角θ为0，绕x轴顺时针转动为正；

对应Z2方向单轴机器人的位移为0，沿z轴正方向为正，鼓风机安装板的中心轴与导向轴的中心轴距离为l_w＝136mm，则层流风场俯仰角与Z2方向单轴机器人的位移关系如下

所述切换机构转动电机输出角为零时，二轴测试平台与六轴测试平台处于同一平面时，初始位移二轴测试平台的位移z_two和六轴测试平台的位移z_six满足：z_two＝z_six＝0；

切换机构转动电机输出角绕y轴顺时针转动为正，二轴测试平台和六轴测试平台的位移沿z轴正方向为正；

根据齿轮传动运动学关系可知如下关系式

其中，α_t：切换机构转动电机输出角，α_tf：左侧从动齿轮转动角，z_two：两轴测试平台位移，z_six：六轴测试平台位移，Z₁：测试机构主动齿轮齿数，Z₂：左侧惰轮齿数，Z₃：左侧从动齿轮轴齿数；

根据式(4-2)可得

对双滑块机构的几何运动学关系分析可得二轴测试平台和六轴测试平台的位移与左侧从动齿轮转角关系

z_two＝l₂₃·sinα_tf(4-4)

z_six＝-l₆₃·sinα_tf(4-5)

二轴测试平台与六轴测试平台随时间呈正弦变化。

所述对于测试切换机构，切换机构驱动电机进行正弦输入，可表示为

α_t＝50sint(4-6)

层流风场俯仰角与Z2方向单轴机器人位移呈线性变化。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

模拟风场调整机构包括结构相同且彼此相互转动的上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置，上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均设有角度可调的管道鼓风机，管道鼓风机所产生的层流风场耦合形成瑞流风场，模拟复杂的自然风，以满足实验测试条件。

测试切换机构包括二轴测试平台、六轴测试平台，两者能平稳切换，满足实验测试需求。

风向风速仪采用快拆式柱塞结构安装与测试切换机构上，检测模拟风场位置调整时风驱动机器人安装处的风速风向，因此风驱动机器人所受风的风速风向信息与模拟风场位置具有一一对应关系，通过对模拟风场位置离散取值可建立风驱动机器人所受风的风速风向与模拟风场位置的对应关系数据库，易于实现测试过程中改变风场至目标状态。

附图说明

图1为面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置整体结构示意图。

图2为上层模拟风场调整装置结构示意图。

图3为下层模拟风场调整装置结构示意图。

图4为图1的侧视图。

图5为后轮驱动移动机构结构示意图。

图6为测试切换机构结构示意图。

图7为图6的侧视图。

图8为固定轮系传动机构测试分析示意图。

图9为图8的区别视角示意图。

图10为层流风场俯仰角与Z2方向单轴机器人位移的关系曲线。

图11为二轴测试平台与六轴测试平台位移随时间变化关系曲线

图中，1、后轮驱动移动机构，2、上层模拟风场调整装置，3、下层模拟风场调整装置，4、风向风速仪，5、测试切换机构，6、上层机架，7、平衡块驱动机器人，8、平衡块，9、管道鼓风机，10、肘夹，11、X方向单轴机器人，12、X方向滑架，13、Z1方向单轴机器人，14、连杆，15、Z1方向滑架，16、鼓风机安装板，17、导向轴，18、关节轴承，19、Z2方向安装板，20、Z2方向单轴机器人，21、下层机架驱动电机，22、下层机架主动齿轮，23、上层机架驱动电机，24、上层机架主动齿轮，26、二轴测试平台，27、六轴测试平台，28、双滑块机构，29、左侧从动齿轮，30、左侧惰轮，31、主动齿轮，32、右侧惰轮，33、反向惰轮，34、右侧从动齿轮。

具体实施方式

结合附图1至11对本发明的具体实施方式做进一步说明：

面向风驱动机器人的模拟风场实验测试装置，包括用于模拟风场可调的模拟风场调整机构、用于实现动态风场的后轮驱动移动机构1和用于实现风驱动机器人的二轴测试和六轴测试的测试切换机构5；所述模拟风场调整机构包括结构相同且彼此相互转动的上层模拟风场调整装置2、下层模拟风场调整装置3，上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均设有角度可调的管道鼓风机9，管道鼓风机所产生的层流风场耦合形成瑞流风场；所述测试切换机构5包括二轴测试平台26、六轴测试平台27和用于实现二轴测试平台与六轴测试平台平稳切换的双滑块结构28，风驱动机器人安装于测试切换机构上。

上层模拟风场调整装置包括上层机架驱动电机23、上层机架6，所述下层模拟风场调整装置包括下层机架驱动电机21、下层机架；下层机架驱动电机驱动下层机架主动齿轮22转动，主动齿轮啮合有从动齿轮，从动齿轮带动下层机架转动，实现下层流风场相对于后轮驱动移动机构运动；上层机架驱动电机安装于下层机架上，上层机架驱动电机驱动上层机架主动齿轮24转动，主动齿轮啮合有从动齿轮，从动齿轮带动上层机架转动，实现上层流风场与下层流风场间的相互运动。

所述上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置均包括下层驱动电机、下层机架、X方向调整装置、Z1方向调整装置、Z2方向调整装置、滑块摇杆机构；所述X方向调整装置包括X方向单轴机器人11，X方向单轴机器人11安装在上层机架或下层机架的一端，X方向单轴机器人连接有X方向滑架12并驱动其沿X方向滑动；所述Z1方向调整装置包括安装于X方向滑架上的Z1方向安装板，Z1方向安装板安装有Z1方向单轴机器人13，Z1方向单轴机器人连接有Z1方向滑架15并驱动其沿Z1方向滑动；所述Z2方向调整装置包括安装于Z1方向滑架上的Z2方向安装板19，Z2方向安装板安装有Z2方向单轴机器人20；所述滑块摇杆机构包括连杆14、固定在连杆顶端的关节轴承18、导向轴17、安装有管道鼓风机的鼓风机安装板16，Z2方向单轴机器人连接连杆并驱动连杆沿Z方向移动，导向轴一端活动连接在关节轴承的轴承孔内，另一端与鼓风机安装板固定连接，鼓风机安装板与Z1方向滑架通过转动销相连。

关节轴承与导向轴间将发生相互移动和转动，从而控制鼓风机安装板相对于Z1方向滑架转动到指定角度，管道鼓风机随鼓风机安装板的运动而改变空间位姿。

所述管道鼓风机通过鼓风机安装板上的安装槽及肘夹10固定于鼓风机安装板上，管道鼓风机的法兰与安装槽配合使管道鼓风机的自动定心及轴向基准定位；所述肘夹有三个，三个肘夹沿周向45°均布管道鼓风机四周，约束其周向位移和径向转动。

上层机架或下层机架的另一端设有平衡块驱动机器人7，平衡块驱动机器人连接平衡块8并驱动其沿X方向滑动，平衡块为管道鼓风机提供平衡力矩。

所述后轮驱动移动机构包括车轮、底座、转动轴承、车轮连接块；车轮的轮轴与转动轴承实现轴孔连接，转动轴承固定于车轮连接块上，车轮连接块通过螺钉旋配方式与底座固定，车轮相对于底座可绕各自轮轴轴线进行转动，实现测试装置的轮式移动；所述车轮中后轮的轮轴通过轮轴联轴器与后轮转动电机连接，传递后轮转动电机的输出扭矩和运动，通过后轮差速控制实现后轮驱动移动机构的直线运动和转弯运动。

所述测试切换机构包括双滑块机构、二轴测试平台和六轴测试平台以及固定轮系传动机构；所述测试切换机构左右两侧均包含两个双滑块机构，双滑块机构的从动滑块分别与二轴测试平台和六轴测试平台固定连接，双滑块机构连接有同一驱动滑块并由其带动；所述驱动滑块与固定轮系传动机构连接并输出固定轮系传动机构的运动和转矩，传递至从动滑块从而实现二轴测试平台与六轴测试平台沿z方向反向运动，即当二(六)轴测试平台连续上升时，六(二)轴测试平台连续下降。

测试切换机构包括风向风速仪4，风向风速仪采用快拆式柱塞结构安装于测试切换机构上，检测模拟风场位置调整时风驱动机器人安装处的风速风向。

固定轮系传动机构包括主动齿轮，主动齿轮31连接切换机构转动电机；所述主动齿轮左侧依次设有相互啮合的左侧惰轮30、左侧从动齿轮29，主动齿轮右侧依次设有相互啮合的右侧惰轮32、反向惰轮33、右侧从动齿轮34；所述左侧从动齿轮、右侧从动齿轮分别连接从动滑块。固定轮系传动机构的参数如下图所示：

为模拟风驱动机器人在风场中的动力学和运动学特性测试，本文设计的测试装置可产生的可控风场，风场姿态与模拟风场调整机构各轴间具有一一对应关系，因此具备对指定风场下的风驱动机器人进行测试的能力。模拟风场调整机构安装于后轮驱动移动机构上，因此能产生动态风场。同时，根据风驱动机器人测试要求，该测试装置能够实现对风驱动机器人的二轴或六轴测试，二轴和六轴测试平台自动平稳切换。

以下将分析对测试装置模拟风场调整机构的曲柄滑块机构及测试切换机构的固定齿轮轮系和双滑块机构的运动学关系，如图8和图9所示。

上层模拟风场调整装置、下层模拟风场调整装置所产生的层流风场风向与水平面平行时，俯仰角θ为0，绕x轴顺时针转动为正；

对应Z2方向单轴机器人的位移为0，沿z轴正方向为正，鼓风机安装板的中心轴与导向轴的中心轴距离为l_w＝136mm，则层流风场俯仰角与Z2方向单轴机器人的位移关系如下

所述对于测试切换机构，切换机构驱动电机进行正弦输入，可表示为

α_t＝50sint(4-6)

层流风场俯仰角与Z2方向单轴机器人位移呈线性变化。

Z2方向单轴机器人进行匀速运动，移动速度设定为10mm/s。从图9中可得，当Z2方向单轴机器人位移在[-50,50]内移动时，层流风场俯仰角在[-20.2°,20.2°]内呈近似于线性变化。

切换机构转动电机输出角为零时，二轴测试平台与六轴测试平台处于同一平面时，初始位移二轴测试平台的位移z_two和六轴测试平台的位移z_six满足：z_two＝z_six＝0；

切换机构转动电机输出角绕y轴顺时针转动为正，二轴测试平台和六轴测试平台的位移沿z轴正方向为正；

根据齿轮传动运动学关系可知如下关系式

其中，α_t：切换机构转动电机输出角，α_tf：左侧从动齿轮转动角，z_two：两轴测试平台位移，z_six：六轴测试平台位移，Z₁：测试机构主动齿轮齿数，Z₂：左侧惰轮齿数，Z₃：左侧从动齿轮轴齿数；

根据式(4-2)可得

则参考切换机构固定轮系齿轮参数可得：

对双滑块机构的几何运动学关系分析可得二轴测试平台和六轴测试平台的位移与左侧从动齿轮转角关系

z_two＝l₂₃·sinα_tf(4-4)

z_six＝-l₆₃·sinα_tf(4-5)

则联合上式可得测试切换机构二轴测试平台的位移z_two和六轴测试平台的位移z_six与切换机构驱动电机输出角α_t之间的关系，即切换装置的运动学关系如下

二轴测试平台与六轴测试平台随时间呈正弦变化。二轴测试平台与六轴测试平台随时间变化曲线相交于零点，此时为被测风驱动机器人二轴(或六轴)测试平台切换到六轴(或二轴)测试平台的临界切换点，测试平台位移连续变化，因此可完成测试装置对风驱动机器人测试平台的平稳切换，如图10和图11所示。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。