一、產品概述?

機器人關節多維力試驗機是一款專為機器人關節（如工業/協作機器人關節模組、人形機器人關節、精密減速器關節）? 設計的多維力/力矩（6DOF：3力+3力矩）測試與評估設備。通過模擬關節在真實工況中受到的復雜力/力矩（如裝配力、碰撞力、重力補償力、動態跟蹤力），驗證其力控精度、動態響應、疲勞壽命、安全性能及失效模式，為機器人關節的研發優化、性能認證、質量管控提供核心數據支撐。

本產品聚焦“力-運動-環境”多物理場耦合測試，尤其適用于對力控精度要求高的場景（如協作機器人安全交互、精密裝配、醫療手術機器人力反饋），填補傳統傳動試驗機在“多維力動態測試”領域的空白。

二、核心功能?

多維力/力矩加載與復現?

6維力加載：可獨立或耦合施加3個方向力（Fx/Fy/Fz：±500N）和3個方向力矩（Mx/My/Mz：±200N·m），覆蓋機器人關節從輕載協作到重載工業的全場景力譜（如協作機器人碰撞力50-200N，工業關節搬運力500-2000N）；

真實工況復現：導入機器人實際作業力數據（如裝配過程的力-位曲線、碰撞實驗的沖擊力譜），1:1復現“力-位-時”動態關系，驗證關節力控算法真實性。

力控性能精準測試?

靜態精度：測試關節在恒定力/力矩下的輸出誤差（如協作機器人接觸力控制精度±0.1N/±0.01N·m）；

動態響應：測量力控帶寬（≥200Hz）、階躍響應時間（≤10ms）、力跟蹤誤差（≤±1%FS），評估關節對突發力的抑制能力（如碰撞后的快速卸荷）；

阻抗/導納控制驗證：模擬不同剛度/阻尼參數下的力-位交互（如醫療機器人的軟組織觸診力控），測試關節自適應調整能力。

疲勞壽命與失效分析?

加速壽命試驗：按ISO 10218（機器人安全標準）或用戶自定義力譜（如“啟停-變載-持續受力”循環），連續運行≥1000萬次，監測力控性能衰減（如精度下降≥5%時報警）；

故障模擬：通過加載異常力譜（如沖擊過載、偏載、高頻交變力），復現關節典型失效（如減速器齒面點蝕、力矩傳感器漂移、密封件泄漏），支撐根因分析。

多關節協同測試?

支持2-4個關節同步測試（如人形機器人髖-膝-踝關節聯動），模擬多關節力平衡場景（如行走時的地面反作用力分配），評估關節間力控協調性。

三、技術參數?

四、結構設計?

采用“6維加載-高精度測量-模塊化安裝-智能控制”一體化架構，核心由四大系統組成：

6維力加載系統?

作動器配置：3個直線伺服電動缸（推力±500N，位移±100mm，精度±0.01mm）負責Fx/Fy/Fz力加載，3個伺服扭矩電機（扭矩±200N·m，轉速0-3000rpm）負責Mx/My/Mz力矩加載，通過球鉸連接實現6自由度解耦；

力位解耦控制：基于Stewart平臺構型，通過逆運動學算法將6維力指令轉換為各作動器位移/扭矩，確保加載無耦合干擾。

高精度測量系統?

6維力傳感器：集成于加載端與關節輸出端之間（HBM U10M），實時測量關節輸出的6維力/力矩；

輔助傳感器：關節內置溫度傳感器（PT100，±0.5℃）、振動傳感器（PCB 356A16，0-5000Hz）、編碼器（23位絕對值，±0.001°）；

光學測量：激光跟蹤儀（API Tracker3，精度±0.015mm）輔助校準關節位姿，確保加載坐標系與關節坐標系一致。

模塊化安裝平臺?

快換夾具：適配主流關節品牌（如ABB、發那科、優傲UR），支持諧波/RV減速器關節的快速裝夾（對中精度≤0.02mm）；

可調支架：鋁合金框架+直線導軌，支持關節安裝高度（300-1500mm）、角度（0-90°）調節，模擬關節在不同姿態下的受力（如肩關節外展、肘關節屈曲）；

安全防護：透明防爆罩（聚碳酸酯，厚度15mm）+ 光幕傳感器（SICK S3000），人員闖入時自動停機。

環境與輔助系統?

溫控單元：可選配微型溫箱（-20℃~80℃），測試溫度對關節力控性能的影響（如低溫下潤滑脂黏度變化）；

潤滑系統：自動微量潤滑泵（油量0.1-10mL/min），模擬關節長期運行中的潤滑狀態；

減震底座：鑄鐵基座（HT300）+ 橡膠減震墊，隔離外部振動對測試精度的干擾（振動衰減≥90%）。

五、控制系統?

采用“工業PC+實時控制器+PLC”三級架構，實現“力控算法-運動協同-安全聯鎖”全流程閉環：

硬件配置?

主控制器： PLC（處理邏輯控制、安全聯鎖、I/O信號）；

實時控制器：dSPACE MicroLabBox（采樣頻率20kHz，執行6維力PID控制、阻抗控制算法）；

人機界面（HMI）：21寸觸摸屏（威綸通MT8121X），支持3D力加載軌跡預覽、實時數據曲線顯示。

軟件功能?

力控算法庫：內置阻抗控制（剛度/阻尼可調）、導納控制（力-位轉換）、自適應力控（基于神經網絡補償參數漂移）等算法，支持用戶自定義算法嵌入；

工況編程：圖形化拖拽式編輯力譜（如“恒力加載→正弦波動→沖擊載荷”循環），支持導入CSV/ROS bag格式實測數據；

實時監測與分析：動態顯示6維力/力矩、關節角度、溫度等參數，超限值（如力＞設定值120%）紅色預警；自動生成力控精度報告（誤差分布、帶寬曲線）、疲勞壽命曲線（S-N曲線）；

數字孿生映射：通過MATLAB/Simulink建立關節虛擬模型，實時對比仿真力控效果與實測數據（誤差≤10%），加速算法優化。

六、應用場景?

協作機器人安全測試?

模擬人機碰撞場景（接觸力50-200N，作用時間0.1-0.5s），測試關節碰撞檢測靈敏度（≤50ms響應）、安全停機力閾值（≤150N）；

驗證力反饋控制精度（如裝配作業中接觸力維持±0.5N穩定）。

工業機器人精密裝配?

復現精密零件裝配力譜（如手機芯片貼裝力0.1-5N），測試關節微力控制精度（±0.05N）、重復性（連續100次誤差≤±0.1N）；

評估多關節協同裝配時的力分配合理性（如雙臂機器人擰螺絲的扭矩同步誤差≤±0.5N·m）。

人形機器人動態平衡?

模擬行走/奔跑時的地面反作用力（垂直力300-800N，水平力±100N），測試髖-膝-踝關節力平衡控制能力；

驗證單腿支撐期的關節力矩動態調整（如重心偏移時的力矩補償誤差≤±2N·m）。

關節減速器與傳感器標定?

對關節內置6維力傳感器進行標定（精度±0.1%FS），消除安裝誤差與溫度漂移；

測試減速器在不同負載下的背隙對力控精度的影響（如背隙增大0.1arcmin導致力波動±0.2N）。

七、優勢特點?

6維力高精度加載：力/力矩控制精度±0.1%FS，分辨率達0.01N/0.001N·m，滿足協作機器人微力控制測試需求；

力-位-動多場耦合：支持力控與位控無縫切換，動態響應≤10ms，可捕捉關節對突發力的瞬態響應；

真實工況復現能力：導入實測力譜，1:1復現裝配、碰撞、平衡等復雜場景，測試結果更具工程意義；

模塊化與擴展性：快換夾具適配多品牌關節，可選配溫箱、潤滑系統，支持從實驗室研發到產線質檢的全流程應用；

智能化分析工具：內置力控算法庫、數字孿生模塊，自動生成專業報告，降低測試門檻。

八、安全與維護?

安全機制?

硬件保護：6維力傳感器實時監測過載（＞120%額定值），觸發“軟停機”（按預設斜率卸荷，時間≥5s）；硬限位（機械擋塊）防止超程；

軟件容錯：設置“力控失效保護”（如傳感器信號丟失時，關節自動切換至位置控制模式）；

人員防護：光幕+急停按鈕雙重防護，透明罩聯鎖（開門即停機），試驗區域聲光報警（過載/故障時）。

維護要點?

日常維護：每日檢查作動器潤滑（電動缸導軌、扭矩電機軸承），每周校準6維力傳感器零點；

定期保養：每3個月更換電動缸密封件，每半年校準激光跟蹤儀精度，每年全面檢測控制系統程序；

耗材更換：扭矩電機碳刷（每2000小時）、傳感器線纜（每5年）。

九、總結?

機器人關節多維力試驗機以“精準施力、深度析力”為核心，通過6維力加載、高精度測量、智能力控算法，成為機器人關節“力性能”測試的優選設備。無論是協作機器人的安全交互、工業機器人的精密裝配，還是人形機器人的動態平衡，均可通過本產品量化評估關節力控能力，暴露設計缺陷，加速高性能關節的國產化替代。

支持定制化服務：可根據用戶需求擴展高溫/低溫環境模擬、多關節聯動測試、特殊力譜庫（如航天/軍工專用），或對接機器人控制器實現“測試-優化”閉環迭代。