机器人关节多维力试验机

一、产品概述​

机器人关节多维力试验机是一款专为机器人关节（如工业/协作机器人关节模组、人形机器人关节、精密减速器关节）​ 设计的多维力/力矩（6DOF：3力+3力矩）测试与评估设备。通过模拟关节在真实工况中受到的复杂力/力矩（如装配力、碰撞力、重力补偿力、动态跟踪力），验证其力控精度、动态响应、疲劳寿命、安全性能及失效模式，为机器人关节的研发优化、性能认证、质量管控提供核心数据支撑。

本产品聚焦“力-运动-环境”多物理场耦合测试，尤其适用于对力控精度要求高的场景（如协作机器人安全交互、精密装配、医疗手术机器人力反馈），填补传统传动试验机在“多维力动态测试”领域的空白。

二、核心功能​

多维力/力矩加载与复现​

6维力加载：可独立或耦合施加3个方向力（Fx/Fy/Fz：±500N）和3个方向力矩（Mx/My/Mz：±200N·m），覆盖机器人关节从轻载协作到重载工业的全场景力谱（如协作机器人碰撞力50-200N，工业关节搬运力500-2000N）；

真实工况复现：导入机器人实际作业力数据（如装配过程的力-位曲线、碰撞实验的冲击力谱），1:1复现“力-位-时”动态关系，验证关节力控算法真实性。

力控性能精准测试​

静态精度：测试关节在恒定力/力矩下的输出误差（如协作机器人接触力控制精度±0.1N/±0.01N·m）；

动态响应：测量力控带宽（≥200Hz）、阶跃响应时间（≤10ms）、力跟踪误差（≤±1%FS），评估关节对突发力的抑制能力（如碰撞后的快速卸荷）；

阻抗/导纳控制验证：模拟不同刚度/阻尼参数下的力-位交互（如医疗机器人的软组织触诊力控），测试关节自适应调整能力。

疲劳寿命与失效分析​

加速寿命试验：按ISO 10218（机器人安全标准）或用户自定义力谱（如“启停-变载-持续受力”循环），连续运行≥1000万次，监测力控性能衰减（如精度下降≥5%时报警）；

故障模拟：通过加载异常力谱（如冲击过载、偏载、高频交变力），复现关节典型失效（如减速器齿面点蚀、力矩传感器漂移、密封件泄漏），支撑根因分析。

多关节协同测试​

支持2-4个关节同步测试（如人形机器人髋-膝-踝关节联动），模拟多关节力平衡场景（如行走时的地面反作用力分配），评估关节间力控协调性。

三、技术参数​

四、结构设计​

采用“6维加载-高精度测量-模块化安装-智能控制”一体化架构，核心由四大系统组成：

6维力加载系统​

作动器配置：3个直线伺服电动缸（推力±500N，位移±100mm，精度±0.01mm）负责Fx/Fy/Fz力加载，3个伺服扭矩电机（扭矩±200N·m，转速0-3000rpm）负责Mx/My/Mz力矩加载，通过球铰连接实现6自由度解耦；

力位解耦控制：基于Stewart平台构型，通过逆运动学算法将6维力指令转换为各作动器位移/扭矩，确保加载无耦合干扰。

高精度测量系统​

6维力传感器：集成于加载端与关节输出端之间（HBM U10M），实时测量关节输出的6维力/力矩；

辅助传感器：关节内置温度传感器（PT100，±0.5℃）、振动传感器（PCB 356A16，0-5000Hz）、编码器（23位绝对值，±0.001°）；

光学测量：激光跟踪仪（API Tracker3，精度±0.015mm）辅助校准关节位姿，确保加载坐标系与关节坐标系一致。

模块化安装平台​

快换夹具：适配主流关节品牌（如ABB、发那科、优傲UR），支持谐波/RV减速器关节的快速装夹（对中精度≤0.02mm）；

可调支架：铝合金框架+直线导轨，支持关节安装高度（300-1500mm）、角度（0-90°）调节，模拟关节在不同姿态下的受力（如肩关节外展、肘关节屈曲）；

安全防护：透明防爆罩（聚碳酸酯，厚度15mm）+ 光幕传感器（SICK S3000），人员闯入时自动停机。

环境与辅助系统​

温控单元：可选配微型温箱（-20℃~80℃），测试温度对关节力控性能的影响（如低温下润滑脂黏度变化）；

润滑系统：自动微量润滑泵（油量0.1-10mL/min），模拟关节长期运行中的润滑状态；

减震底座：铸铁基座（HT300）+ 橡胶减震垫，隔离外部振动对测试精度的干扰（振动衰减≥90%）。

五、控制系统​

采用“工业PC+实时控制器+PLC”三级架构，实现“力控算法-运动协同-安全联锁”全流程闭环：

硬件配置​

主控制器： PLC（处理逻辑控制、安全联锁、I/O信号）；

实时控制器：dSPACE MicroLabBox（采样频率20kHz，执行6维力PID控制、阻抗控制算法）；

人机界面（HMI）：21寸触摸屏（威纶通MT8121X），支持3D力加载轨迹预览、实时数据曲线显示。

软件功能​

力控算法库：内置阻抗控制（刚度/阻尼可调）、导纳控制（力-位转换）、自适应力控（基于神经网络补偿参数漂移）等算法，支持用户自定义算法嵌入；

工况编程：图形化拖拽式编辑力谱（如“恒力加载→正弦波动→冲击载荷”循环），支持导入CSV/ROS bag格式实测数据；

实时监测与分析：动态显示6维力/力矩、关节角度、温度等参数，超限值（如力＞设定值120%）红色预警；自动生成力控精度报告（误差分布、带宽曲线）、疲劳寿命曲线（S-N曲线）；

数字孪生映射：通过MATLAB/Simulink建立关节虚拟模型，实时对比仿真力控效果与实测数据（误差≤10%），加速算法优化。

六、应用场景​

协作机器人安全测试​

模拟人机碰撞场景（接触力50-200N，作用时间0.1-0.5s），测试关节碰撞检测灵敏度（≤50ms响应）、安全停机力阈值（≤150N）；

验证力反馈控制精度（如装配作业中接触力维持±0.5N稳定）。

工业机器人精密装配​

复现精密零件装配力谱（如手机芯片贴装力0.1-5N），测试关节微力控制精度（±0.05N）、重复性（连续100次误差≤±0.1N）；

评估多关节协同装配时的力分配合理性（如双臂机器人拧螺丝的扭矩同步误差≤±0.5N·m）。

人形机器人动态平衡​

模拟行走/奔跑时的地面反作用力（垂直力300-800N，水平力±100N），测试髋-膝-踝关节力平衡控制能力；

验证单腿支撑期的关节力矩动态调整（如重心偏移时的力矩补偿误差≤±2N·m）。

关节减速器与传感器标定​

对关节内置6维力传感器进行标定（精度±0.1%FS），消除安装误差与温度漂移；

测试减速器在不同负载下的背隙对力控精度的影响（如背隙增大0.1arcmin导致力波动±0.2N）。

七、优势特点​

6维力高精度加载：力/力矩控制精度±0.1%FS，分辨率达0.01N/0.001N·m，满足协作机器人微力控制测试需求；

力-位-动多场耦合：支持力控与位控无缝切换，动态响应≤10ms，可捕捉关节对突发力的瞬态响应；

真实工况复现能力：导入实测力谱，1:1复现装配、碰撞、平衡等复杂场景，测试结果更具工程意义；

模块化与扩展性：快换夹具适配多品牌关节，可选配温箱、润滑系统，支持从实验室研发到产线质检的全流程应用；

智能化分析工具：内置力控算法库、数字孪生模块，自动生成专业报告，降低测试门槛。

八、安全与维护​

安全机制​

硬件保护：6维力传感器实时监测过载（＞120%额定值），触发“软停机”（按预设斜率卸荷，时间≥5s）；硬限位（机械挡块）防止超程；

软件容错：设置“力控失效保护”（如传感器信号丢失时，关节自动切换至位置控制模式）；

人员防护：光幕+急停按钮双重防护，透明罩联锁（开门即停机），试验区域声光报警（过载/故障时）。

维护要点​

日常维护：每日检查作动器润滑（电动缸导轨、扭矩电机轴承），每周校准6维力传感器零点；

定期保养：每3个月更换电动缸密封件，每半年校准激光跟踪仪精度，每年全面检测控制系统程序；

耗材更换：扭矩电机碳刷（每2000小时）、传感器线缆（每5年）。

九、总结​

机器人关节多维力试验机以“精准施力、深度析力”为核心，通过6维力加载、高精度测量、智能力控算法，成为机器人关节“力性能”测试的优选设备。无论是协作机器人的安全交互、工业机器人的精密装配，还是人形机器人的动态平衡，均可通过本产品量化评估关节力控能力，暴露设计缺陷，加速高性能关节的国产化替代。

支持定制化服务：可根据用户需求扩展高温/低温环境模拟、多关节联动测试、特殊力谱库（如航天/军工专用），或对接机器人控制器实现“测试-优化”闭环迭代。