施力器測試實驗臺的制作方法

本發明一種施力器測試實驗臺，屬于康復健身設備測試檢測領域。具體涉及一種為填補目前康復健身設備測試檢測領域尚無可用于動態檢測施力器性能設備空白而設計的，能夠測試施力器性能以及改進施力器控制算法的施力器測試實驗臺。

背景技術：

肌力的精確測量和科學訓練對肌肉及運動神經的訓練和康復非常重要。施力器作為測量和訓練肌力的工具，廣泛應用于醫療康復領域和體育健身領域。然而，目前康復健身設備測試檢測領域尚無可用于動態檢測施力器性能的設備；對于研發、設計和改進施力器而言，施力器的靜動態性能檢測意義重大。并且，現有技術中急需一種能夠測試施力器性能以及改進施力器控制算法的施力器測試實驗臺的設備以及相應配套的測試技術。

技術實現要素：

本發明一種施力器測試實驗臺的目的在于：為填補目前康復健身設備測試檢測領域尚無可用于動態檢測施力器性能的設備的空白，提供一種為了測試施力器的性能以及改進施力器的控制算法而設計的一種施力器測試實驗臺。

本發明一種施力器測試實驗臺，其特征在于是一種為了測試施力器的性能以及改進施力器的控制算法而設計的施力器測試實驗臺，該實驗臺由型材支架22、調節支座23、調節螺母24、輸出裝置控制器、施力器控制器、測量中心、施力器本體、輔助連接模擬裝置和轉矩輸出裝置組成，其所述的轉矩輸出裝置、輔助連接模擬裝置和施力器本體都固定在調節支座23上，調節支座23再固定在型材支架22上；所述的轉矩輸出裝置與輔助連接模擬裝置作用時，轉矩輸出裝置與輔助連接模擬裝置通過齒輪嚙合傳動，其中轉矩輸出裝置的主動齒輪16和輔助連接模擬裝置的被動齒輪9間隙通過調節支座23和調節螺母24進行調整，模擬出齒輪傳動在換向時的死區；所述的輔助連接模擬裝置包括變彈性模量機構、變轉動慣量機構和變摩擦阻力機構，通過調節這三個機構模擬彈性模量、轉動慣量和摩擦阻力參數不同的輔助連接附件；所述的變彈性模量機構包括彈性軸5、第一聯軸器4和第二聯軸器6；其中，彈性軸5兩端分別通過第一聯軸器4、第二聯軸器6與施力器本體、齒輪支撐軸8連接；所述的變轉動慣量機構包括軸承支座7、齒輪支撐軸8、腹板式齒輪9、不同重量的小鉛柱11及緊定螺釘；其中，齒輪支持軸8通過滾動軸承固定在軸承支座7上，腹板式齒輪9通過鍵與支撐軸8連接，小鉛柱11在腹板孔上通過緊定螺釘固定；在腹板式齒輪9的六個不同位置的腹板孔上安裝不同重量的小鉛柱11，模擬輔助連接附件不同大小的轉動慣量以及不平衡的轉動慣量；所述的變摩擦阻力機構包括固定在腹板式齒輪周邊的銅環10、磁鐵組件12、磁鐵支架13和調整緊定螺釘14；其中，銅環10與腹板齒輪9剛性聯接；磁鐵組件12由若干環形永磁體與橡膠圈相間串聯在弧形鐵圈上，弧形鐵圈與銅環10曲率相同，磁鐵組件12在銅環10的正下方，當銅環10隨腹板式齒輪9轉動時，切割磁鐵組件的磁感線產生電流進而形成渦流，在磁場中運動的渦流產生洛倫茲力；產生的洛倫茲力與腹板式齒輪9的旋轉方向相反，故可模擬摩擦阻力；通過調整緊定螺釘14改變磁鐵組件12與銅環10的距離來改變磁感應強度，從而改變輔助連接模擬裝置轉動時受到摩擦阻力的大小；輸出裝置控制器與轉矩輸出裝置通過電氣連接，以控制轉矩輸出裝置的位置、轉速和轉矩，施力器控制器與施力器本體也通過電氣連接，以控制施力器本體的位置、轉速和轉矩；測量中心分別與轉矩輸出裝置和施力器本體進行電氣連接，以實時檢測轉矩輸出裝置和施力器本體上的轉矩、轉速信息；根據測量中心檢測到的信息來動態調節輸出裝置控制器和施力器控制器的控制指令，以調整轉矩輸出裝置和施力器本體的參數；輔助連接模擬裝置兩端分別與轉矩輸出裝置和施力器本體機械連接；轉矩輸出裝置將指定類型的轉矩通過輔助連接模擬裝置作用到施力器本體上，同時通過測量中心實時檢測轉矩輸出裝置主動端和施力器本體被動端的位置、轉速和轉矩三個參數，以完成對施力器的全面測量。

上述的轉矩輸出裝置與輔助連接模擬裝置作用時，轉矩輸出裝置與輔助連接模擬裝置通過齒輪嚙合傳動，其中轉矩輸出裝置的主動齒輪16和輔助連接模擬裝置的被動齒輪9間隙通過調節支座23和調節螺母24進行調整，模擬出齒輪傳動在換向時的死區。

上述的一種施力器測試實驗臺，其特征在于所述的變彈性模量機構可使用不同的材料為：鑄鐵、軋制鋁、木材、橡膠或尼龍等，不同結構為：空心或實心等，不同橫截面積的彈性軸5，使得輔助連接模擬裝置的彈性模量覆蓋0.01~2×10⁵mpa，以模擬不同彈性模量的輔助連接附件。

本發明的主要工作過程是在實驗室條件下向施力器本體與不同參數的輔助連接模擬裝置組合輸入恒定轉矩、振動轉矩和過渡轉矩等多種類型轉矩。通過測量中心采集、處理施力器本體及轉矩輸出裝置的位置、轉速和扭矩等信號，可實現施力器本體在不同參數的輔助連接模擬裝置與指定類型轉矩組合下的靜動態性能測試；進而改寫施力器控制器的控制算法或調整施力器本體自身參數以使施力器達到最優工作狀態。

本發明中的輔助連接模擬裝置用于模擬施力器使用時必備的輔助連接附件，通過分別改變該裝置中的彈性模量、轉動慣量和摩擦阻力，可以模擬出多種輔助連接附件。

本發明中的轉矩輸出裝置可輸出大小、方向完全可控的轉矩，用于模擬人對施力器施加的轉矩。

本發明中的轉矩輸出裝置的主動齒輪16和輔助連接模擬裝置的被動齒輪9間隙通過調節支座23和調節螺母24進行調整，從而可以模擬出齒輪傳動在換向時的死區。

本發明一種施力器測試實驗臺，其優點在于：

（1）本發明中的輔助連接模擬裝置用于模擬施力器使用時必備的輔助連接附件，通過分別改變該裝置中的彈性模量、轉動慣量和摩擦阻力，從而可以模擬出多種輔助連接附件。（2）本發明中的轉矩輸出裝置可輸出大小、方向完全可控的轉矩，用于模擬人對施力器施加的轉矩。（3）通過實時檢測施力器本體和轉矩輸出裝置的位置、轉速、扭矩等信號，完成對施力器本體的靜動態性能檢測。進一步，優化施力器本體的響應性。

附圖說明

圖1是施力器測試實驗臺的總體工作流程圖；

圖2是施力器測試實驗臺的一種實施方式的三維機械結構圖；

圖3是施力器測試實驗臺的一種實施方式的主視圖；

圖4是施力器測試實驗臺的一種實施方式的俯視圖；

圖中1-施力器電機、2-施力器減速器、3-施力器電滑環、4-第一聯軸器、5-弾性軸、6-第二聯軸器、7-軸承支座、8-齒輪支撐軸、9-腹板式齒輪、10-銅環、11-小鉛柱、12-磁鐵組件、13-磁鐵支架、14-調整緊定螺釘、15-滑動凹槽、16-小齒輪、17-測力軸、18-軸端擋圈、19-輸出裝置電滑環、20-輸出裝置減速器、21-施力伺服電機、22-型材支架、23-調節支座、24-調節螺母。

具體實施方式

實施方式1

本發明是通過以下具體技術方案實現的：

施力器本體為模擬在不同參數輔助連接模擬裝置與受到指定類型轉矩下的性能檢測的被試對象。

輔助連接模擬裝置包括變彈性模量機構、變轉動慣量機構和變摩擦阻力機構，其中：

變彈性模量機構包括彈性軸5、第一聯軸器4和第二聯軸器6；其中，彈性軸5兩端分別通過第一聯軸器4、第二聯軸器6與測力軸、齒輪支撐軸8連接；通過使用鑄鐵材料、空心結構的不同橫截面積的彈性軸5，使得輔助連接模擬裝置的彈性模量覆蓋0.01~2×10⁵mpa，從而可以模擬不同彈性模量的輔助連接附件；

變轉動慣量機構包括軸承支座7、齒輪支撐軸8、腹板式齒輪9、不同重量的小鉛柱11及緊定螺釘；其中，齒輪支持軸8通過滾動軸承固定在軸承支座7上，腹板式齒輪9通過鍵與支撐軸8連接，小鉛柱11在腹板孔上通過緊定螺釘固定；在腹板式齒輪9的六個不同位置的腹板孔上安裝不同重量的小鉛柱11，可以模擬輔助連接附件不同大小的轉動慣量，以及不平衡的轉動慣量；

變摩擦阻力機構包括固定在腹板式齒輪周邊的銅環10、磁鐵組件12、磁鐵支架13、調整緊定螺釘14。銅環10與腹板齒輪9剛性聯接；磁鐵組件12由若干環形永磁體與橡膠圈相間串聯在弧形鐵圈上，弧形鐵圈與銅環10曲率相同，磁鐵組件12在銅環10的正下方。當銅環10隨腹板式齒輪9轉動時，切割磁鐵組件12的磁感線產生電流進而形成渦流，在磁場中運動的渦流產生洛倫茲力。產生的洛倫茲力與腹板式齒輪9的旋轉方向相反，故可模擬摩擦阻力；通過調整緊定螺釘14改變磁鐵組件12與銅環10的距離改變磁感應強度，從而可以改變輔助連接模擬裝置轉動時受到摩擦阻力的大小。

轉矩輸出裝置用于模擬人對施力器施加的轉矩。

轉矩輸出裝置、輔助連接模擬裝置和施力器本體都固定在調節支座23上，調節支座再固定在型材支架22上；輸出裝置控制器與轉矩輸出裝置通過電氣連接，以控制轉矩輸出裝置的位置、轉速和扭矩，同理，施力器控制器與施力器本體通過電氣連接，以控制施力器本體的位置、轉速和扭矩；測量中心分別與轉矩輸出裝置、施力器本體電氣連接，以實時檢測轉矩輸出裝置和施力器本體上的扭矩、轉速等信息；輔助連接模擬裝置兩端分別與轉矩輸出裝置、施力器本體機械連接。

通過在輸出裝置控制器上設定控制指令來使轉矩輸出裝置輸出指定類型的轉矩，然后轉矩輸出裝置將指定類型的轉矩通過輔助連接模擬裝置作用到施力器本體上，同時，在施力器控制器上設定控制指令來使施力器本體對向其輸入的作用做出反應；在這個過程中，測量中心實時檢測轉矩輸出裝置（主動端）和施力器本體（被動端）的位置、轉速和扭矩三個參數。通過調整輔助連接模擬裝置的彈性慣量、摩擦阻力、轉動慣量等參數，分別對比轉矩輸出裝置和施力器本體的位置、轉速、扭矩等信號隨時間的變化情況，可以完成對施力器本體的靜動態性能檢測。進一步，根據測量中心實時檢測到的信息來動態調節輸出裝置控制器和施力器控制器的控制指令，優化施力器本體的控制算法和調整施力器本體的伺服增益，對施力器本體的響應性進行優化并實際檢測優化結果。

下面結合附圖說明本發明裝置的機械結構以及工作過程。

結合附圖1說明施力器測試實驗臺的總體工作流程，施力器測試實驗臺主要由輸出裝置控制器、施力器控制器、測量中心、施力器本體、輔助連接模擬裝置和轉矩輸出裝置組成。輸出裝置控制器與轉矩輸出裝置通過電氣連接，以控制轉矩輸出裝置的位置、轉速和扭矩，同理，施力器控制器與施力器本體通過電氣連接，以控制施力器本體的位置、轉速和扭矩；測量中心分別與轉矩輸出裝置、施力器本體電氣連接，以實時檢測轉矩輸出裝置和施力器本體上的位置、扭矩、轉速等信息；輔助連接模擬裝置兩端分別與轉矩輸出裝置、施力器本體機械連接。轉矩輸出裝置將指定類型的轉矩通過輔助連接模擬裝置作用到施力器本體上。

下面根據圖1、圖2詳細介紹施力器測試實驗臺的一種實施例的具體實施方式：

施力器測試實驗臺由型材支架22、調節支座23、調節螺母24、輸出裝置控制器、施力器控制器、測量中心、施力器本體、輔助連接模擬裝置和轉矩輸出裝置組成。

轉矩輸出裝置、輔助連接模擬裝置和施力器本體都固定在調節支座23上，調節支座再固定在型材支架22上。

施力器本體包括施力器電機1、施力器減速器2及測力軸和施力器電滑環3；其中，施力電機1與施力器減速器2之間、施力器減速器2與測力軸之間通過鍵剛性連接，施力器電滑環3運動部分與測力軸通過緊定螺釘固定，施力器電滑環3靜止部分通過緊定螺釘與調節支座23固定。

輔助連接模擬裝置包括變彈性模量機構、變轉動慣量機構和變摩擦阻力機構，其中：

變彈性模量機構包括彈性軸5、第一聯軸器4、第二聯軸器6；彈性軸5通過第一聯軸器4與測力軸剛性聯接、通過第二聯軸器6與齒輪支撐軸8剛性連接；通過改變彈性軸5的材料、結構、橫截面積，可以模擬不同彈性模量的輔助連接附件；

變轉動慣量機構包括軸承支座7、齒輪支撐軸8、腹板式齒輪9、不同重量的小鉛柱11及緊定螺釘；其中，齒輪支持軸8通過滾動軸承固定在軸承支座7上，腹板式齒輪9通過鍵與支撐軸8連接，小鉛柱11在腹板孔上通過緊定螺釘固定；在腹板式齒輪9的六個不同位置的腹板孔上安裝不同重量的小鉛柱11，可以模擬輔助連接附件不同大小的轉動慣量，以及不平衡的轉動慣量；

變摩擦阻力機構包括固定在腹板式齒輪周邊的銅環10、磁鐵組件12、磁鐵支架13、調整緊定螺釘14。銅環10通過螺釘固定，與腹板齒輪9剛性聯接；磁鐵組件12由若干環形永磁體與橡膠圈相間串聯在弧形鐵圈上，弧形鐵圈與銅環曲率相同，磁鐵組件在銅環10的正下方；當銅環10隨腹板式齒輪9轉動時，切割磁鐵組件12的磁感線產生電流進而形成渦流，在磁場中運動的渦流產生洛倫茲力。產生的洛倫茲力可模擬摩擦阻力；通過調整緊定螺釘14來使磁鐵支架13在滑動凹槽15內移動，從而調整磁鐵組件12與銅環10的距離來改變輔助連接模擬裝置轉動時受到摩擦阻力的大小。

轉矩輸出裝置包括施力伺服電機21、輸出裝置減速器20、輸出裝置電滑環19、軸端擋圈18、測力軸17和小齒輪16；施力伺服電機21與輸出裝置減速器20之間、輸出裝置減速器20與測力軸17之間、測力軸17與小齒輪16之間通過鍵剛性連接，輸出裝置電滑環19運動部分與測力軸17通過緊定螺釘固定，輸出裝置電滑環19靜止部分通過緊定螺釘與調節支座23固定。

通過輸出裝置控制器對轉矩輸出裝置的施力伺服電機21設置為轉矩模式下的恒定轉矩，恒定轉矩經過輸出裝置減速器20放大，再經過測力軸17傳到小齒輪16，最后轉矩輸出裝置輸出的恒定的轉矩通過小齒輪16與腹板齒輪9嚙合傳到輔助連接模擬裝置。

腹板式齒輪9與齒輪支撐軸8通過鍵剛性聯接，故轉矩輸出裝置輸出的恒定轉矩通過齒輪嚙合傳輸至腹板式齒輪9的支撐軸8上，變轉動慣量機構和變摩擦阻力機構通過腹板式齒輪9作用于支撐軸8上。支撐軸8與彈性軸5輸入端通過第二聯軸器6剛性聯接，可變彈性模量以及前面的恒定轉矩、可變轉動慣量、可變摩擦阻力通過彈性軸5輸出端的第一聯軸器4作用于施力器本體的測力軸和施力器電滑環3上，最后通過施力器減速器2作用到施力器電機1上。

通過施力器控制器對施力器電機1設置成等速運動模式；施力器電機1對通過輔助連接模擬裝置作用在其上的恒定轉矩做出反應，使得轉矩輸出裝置和施力器本體都以恒定的轉矩和一定的速度運動。

在整個施力器測試實驗臺運行過程中，測力軸17及輸出裝置電滑環19把轉矩輸出裝置的實時轉矩信號和施力伺服電機21把轉矩輸出裝置的實時轉速及位置信號一起上傳到測量中心，與此同時，測力軸及施力器電滑環3把施力器本體的實時轉矩信號和施力器電機1把施力器本體的實時轉速及位置信號也一起上傳到測量中心。

分別對比轉矩輸出裝置和施力器本體的位置、轉速、轉矩等信號隨時間的變化情況，完成施力器本體的響應性、穩定性等靜動態性能檢測。進一步，通過分析、對比轉矩輸出裝置和施力器本體的位置、轉速、轉矩等信號，優化施力器本體的控制算法和調整施力器本體的伺服增益，并實際檢測優化結果。

實施方式2

變彈性模量機構包括彈性軸5、第一聯軸器4和第二聯軸器6；其中，彈性軸5兩端分別通過第一聯軸器4、第二聯軸器6與測力軸、齒輪支撐軸8連接；通過使用軋制鋁材料、空心結構的不同橫截面積的彈性軸5，使得輔助連接模擬裝置的彈性模量覆蓋0.01~2×10⁵mpa，從而可以模擬不同彈性模量的輔助連接附件,其它同實施方式1。

實施方式3

變彈性模量機構包括彈性軸5、第一聯軸器4和第二聯軸器6；其中，彈性軸5兩端分別通過第一聯軸器4、第二聯軸器6與測力軸、齒輪支撐軸8連接；通過使用不同的木材、實心結構的不同橫截面積的彈性軸5，使得輔助連接模擬裝置的彈性模量覆蓋0.01~2×10⁵mpa，從而可以模擬不同彈性模量的輔助連接附件，其它同實施方式1。

實施方式4

變彈性模量機構包括彈性軸5、第一聯軸器4和第二聯軸器6；其中，彈性軸5兩端分別通過第一聯軸器4、第二聯軸器6與測力軸、齒輪支撐軸8連接；通過使用橡膠材料、實心結構的不同橫截面積的彈性軸5，使得輔助連接模擬裝置的彈性模量覆蓋0.01~2×10⁵mpa，從而可以模擬不同彈性模量的輔助連接附件，其它同實施方式1。

實施方式5

變彈性模量機構包括彈性軸5、第一聯軸器4和第二聯軸器6；其中，彈性軸5兩端分別通過第一聯軸器4、第二聯軸器6與測力軸、齒輪支撐軸8連接；通過使用尼龍材料、實心結構的不同橫截面積的彈性軸，使得輔助連接模擬裝置的彈性模量覆蓋0.01~2×10⁵mpa，從而可以模擬不同彈性模量的輔助連接附件，其它同實施方式1。

上述具體實施方式為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施方式的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替換、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。