力矩傳感器的設(shè)計(jì)及其在操作臂上的應(yīng)用

黃云天

0 引言

近年來(lái)，機(jī)器人對(duì)外界的感知能力在不斷提高。力/力矩傳感器使機(jī)器人能夠感知其與外部的相互作用力，獲得周圍環(huán)境的有用信息，進(jìn)行友好的人機(jī)交互。隨著社會(huì)步入老齡化，人們對(duì)服務(wù)機(jī)器人有了更為深入的研究，操作臂是服務(wù)機(jī)器人中不可缺少的一員，它的重要性相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)中人們的雙手，可以幫助人們完成抓取物品、助餐，以及其它一些更為復(fù)雜的操作。為操作臂的關(guān)節(jié)安裝力矩傳感器，一方面可以對(duì)它進(jìn)行力控制[1]，使操作臂能夠完成更為精密的任務(wù)，與人交互更加柔順[2]友好。另一方面，利用力矩傳感器與操作臂自身的動(dòng)力學(xué)模型，還可以及時(shí)檢測(cè)到操作臂與周圍發(fā)生的碰撞[3]，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，提高操作臂在給人們提供服務(wù)時(shí)的安全性，具有非常重要的意義。

本文研究的力矩傳感器針對(duì)服務(wù)型操作臂的關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了彈性體與信號(hào)處理電路一體化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕型化的目標(biāo)。進(jìn)一步介紹了如何應(yīng)用力矩傳感器實(shí)現(xiàn)操作臂與周圍環(huán)境的碰撞檢測(cè)，使操作臂與人交互變得友好安全。

1 力矩傳感器的設(shè)計(jì)

力矩傳感器安裝在操作臂關(guān)節(jié)電機(jī)傳動(dòng)輸出軸上，由一個(gè)粘貼有應(yīng)變片的力矩盤和相應(yīng)的信號(hào)處理電路組成。應(yīng)變片組成的全橋電路在受到扭矩作用時(shí)，會(huì)輸出微弱的電壓信號(hào)，對(duì)該應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行放大濾波后，將其進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定可以得出輸出電壓與力矩對(duì)應(yīng)的理論關(guān)系。

1.1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合操作臂關(guān)節(jié)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，力矩傳感器的彈性體選擇圓形的十字橫梁結(jié)構(gòu)[4]，其優(yōu)點(diǎn)在于輸出的信號(hào)理論關(guān)系簡(jiǎn)單，易于分析。傳感器材料選擇使用測(cè)力傳感器的常用材料 LY12，該材料作為力矩傳感器使用時(shí)靈敏度高、材料的比例極限高、重量輕、工藝性能好、材料的散熱性好、易做成小型的組合結(jié)構(gòu)，以提高剛度和自振頻率，獲得穩(wěn)定性和重復(fù)性好的測(cè)量結(jié)果。選擇的應(yīng)變片電阻值為350歐姆，降低傳感器功耗。力矩盤的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，它由8個(gè)橫梁組成，其中4個(gè)用來(lái)粘貼應(yīng)變片，另外4個(gè)用來(lái)保護(hù)傳感器，加強(qiáng)傳感器的強(qiáng)度，提高傳感器的過(guò)載能力。

圖1 力矩傳感器結(jié)構(gòu)

由于應(yīng)變輸出信號(hào)很微弱，需要對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析力矩盤受力后應(yīng)變的分布情況，以獲得最佳的應(yīng)變片粘貼位置，使得到的應(yīng)變信號(hào)強(qiáng)，受到其他方向的剪切變形的干擾小。力矩傳感器的有限元分析見(jiàn)圖2，從圖中可知，傳感器在十字橫梁位置上受到應(yīng)力最大，選擇應(yīng)變片的粘貼位置見(jiàn)圖3，分別在力矩盤的4個(gè)橫梁上粘貼8個(gè)應(yīng)變片。應(yīng)變片電阻電路的連接見(jiàn)圖4，8個(gè)應(yīng)變片連接成兩個(gè)全橋電路，該連接方式可以補(bǔ)償溫度效應(yīng)和橫向力[5]對(duì)力矩傳感器輸出的影響，同時(shí)還可以提高檢測(cè)的靈敏度。

圖2 力矩傳感器的有限元分

圖3 應(yīng)變片粘貼位置圖

圖4 應(yīng)變片全橋電路

1.2 信號(hào)采集的放大電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集放大電路包括電源電路、放大電路和濾波電路。傳感器采用單電源供電，通過(guò)內(nèi)部的電源轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊需要的多路不同的輸出電壓。由于應(yīng)變片電橋的輸出信號(hào)非常微弱，因此需要選擇溫漂小的高精度運(yùn)放，否則信號(hào)將被淹沒(méi)。選擇儀表運(yùn)算放大器AD8221設(shè)計(jì)一級(jí)放大電路，它的優(yōu)點(diǎn)是溫漂小，并且可以有效抑制共模干擾。對(duì)放大后信號(hào)的濾波采用二階有源低通濾波器，設(shè)置濾波器的截至頻率為1000HZ可以有效地濾除高頻干擾，獲得穩(wěn)定的信號(hào)輸出。

應(yīng)變片電橋供電的電源電壓要求輸出紋波小，以保證獲得的應(yīng)變信號(hào)噪聲小，采用線性電源轉(zhuǎn)換模塊可以獲得滿足要求的紋波小的電源電壓，傳感器的電源管理電路見(jiàn)圖5，傳感器采用 24V單電源供電，電源管理電路為傳感器提供+15V，-15V和+5V 3路不同的電壓，其中，+15V和-15V給放大電路和濾波電路的運(yùn)算放大器供電，分別由 78L15線性穩(wěn)壓二級(jí)管和7662 DC-DC電源轉(zhuǎn)化模塊來(lái)獲得，+5v電壓為應(yīng)變片全橋電路供電，由線性穩(wěn)壓二級(jí)管 78L05獲得。

圖5 電源管理轉(zhuǎn)換電路

1.3 傳感器的標(biāo)定

完成力矩傳感器結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，靜態(tài)標(biāo)定在砝碼重錘式標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)[6]，通過(guò)加載砝碼對(duì)力矩傳感器施加事先已知大小的扭矩，使用高精度萬(wàn)用表測(cè)得經(jīng)信號(hào)處理電路放大后的電壓。采用曲線擬合的方法獲得傳感器的特性曲線，用最小二乘法進(jìn)行誤差分析，得到傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)線性擬合后的曲線見(jiàn)圖6，圖中的離散點(diǎn)為重復(fù)5次加載力矩從0到40N.m增加再?gòu)?0N.m減小到零測(cè)得的5組數(shù)據(jù)取平均值后得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合后得到力矩傳感器的特性曲線。

表1為經(jīng)數(shù)據(jù)分析得到的力矩傳感器的性能指標(biāo)。

表1 力矩傳感器指標(biāo)

圖6 力矩傳感器的擬合曲線

2 力矩傳感的應(yīng)用

2.1 操作臂碰撞檢測(cè)的原理

在操作臂關(guān)節(jié)上安裝扭矩傳感器，可以檢測(cè)到關(guān)節(jié)實(shí)際輸出的扭矩，而結(jié)合其它傳感器獲得的位置、速度、加速度信息和操作臂的動(dòng)力學(xué)模型，可以計(jì)算出操作臂的各個(gè)關(guān)節(jié)理論上的應(yīng)該輸出的扭矩。在操作臂與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞時(shí)，實(shí)際測(cè)得的扭矩和理論計(jì)算得到的輸出的扭矩會(huì)產(chǎn)生偏差，通過(guò)計(jì)算它的偏差，設(shè)定一個(gè)合適閥值，可以檢測(cè)到操作臂在運(yùn)行過(guò)程是否發(fā)生碰撞。應(yīng)用力矩傳感器進(jìn)行碰撞檢測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖7，其中τ為扭矩傳感器檢測(cè)到的實(shí)際的輸出扭矩，τ1為通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到的扭矩，у為一正整數(shù)，作為碰撞檢測(cè)的閥值。當(dāng)扭矩偏差的絕對(duì)值大于閥值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為檢測(cè)到碰撞發(fā)生，立即停止操作臂，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

圖7 操作臂碰撞檢測(cè)框圖

2.2 碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析

設(shè)定檢測(cè)閥值為1.5N/m，控制周期為10ms，操作臂與薄紙碰撞的整個(gè)過(guò)程見(jiàn)圖8，操作臂在運(yùn)行過(guò)程中撞到薄紙后迅速停止，證明了應(yīng)用力矩傳感器檢測(cè)碰撞的實(shí)時(shí)有效性。在整個(gè)碰撞的過(guò)程中誤差扭矩與關(guān)節(jié)速度隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖9。分析可知，操作臂碰撞到薄紙后，到達(dá)圖中A點(diǎn)時(shí)，扭矩誤差已經(jīng)超過(guò)閥值，控制器從下一個(gè)周期 B點(diǎn)開始響應(yīng)，給電機(jī)施加一個(gè)很大的反方向扭矩，關(guān)節(jié)速度迅速減小，并有一定的超調(diào)，到達(dá) C點(diǎn)時(shí)，關(guān)節(jié)速度為零，電機(jī)停止。系統(tǒng)在一個(gè)控制周期10ms內(nèi)檢測(cè)到碰撞，從碰撞發(fā)生到操作臂完全停止的整個(gè)過(guò)程在100ms內(nèi)完成。

圖8 操作臂與紙片碰撞實(shí)驗(yàn)

圖9 碰撞檢測(cè)響應(yīng)過(guò)程

3 結(jié)論

本文具體討論了操作臂關(guān)節(jié)力矩傳感器的設(shè)計(jì)，結(jié)合操作臂的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將力矩傳感器的結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路進(jìn)行了一體化處理，并選擇合適的材料使傳感器具有輕型化的特點(diǎn)。力矩傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定后，將其安裝在操作臂中，通過(guò)具體的碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證明了它的實(shí)用性。

下一步我們將充分利用力矩傳感器獲得的信息，對(duì)操作臂進(jìn)行力控制和柔順控制，使其能夠在完成更高級(jí)精細(xì)任務(wù)的同時(shí)，為人們提供更為優(yōu)質(zhì)安全的服務(wù)。

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