機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

金 源，于 淼，田 漪，張 穎，崔建偉*

（1.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210000；2.江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司，南京 210000；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210000）

0 引言

協(xié)作型機(jī)器人因其良好的人機(jī)交互性，逐漸成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1,2]。良好的人機(jī)交互性要求機(jī)器人在人機(jī)協(xié)作的過程種能感知人與機(jī)器人的交互力，從而完成復(fù)雜多變的工作任務(wù)。為了提高協(xié)作機(jī)器人的力感知能力進(jìn)而提高協(xié)作機(jī)器人的力控制能力，常需要對(duì)協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)輸出力矩進(jìn)行精密測(cè)量[3,4]。目前，大部分研究常使用模塊化關(guān)節(jié)力矩傳感器完成對(duì)力信息的感知[5,6]。但是這一方法由于增加了額外彈性構(gòu)件，不僅使協(xié)作機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，而且進(jìn)一步加大了協(xié)作機(jī)器人的整體柔性，從而影響協(xié)作機(jī)器人的控制準(zhǔn)度與精度。為了克服這一缺點(diǎn)，諧波減速器開始與力矩測(cè)量技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，利用諧波減速器自身結(jié)構(gòu)所含有的彈性體，將傳統(tǒng)的只起到力矩傳動(dòng)功能的諧波減速器改進(jìn)成同時(shí)具有力矩傳動(dòng)與力矩測(cè)量功能的諧波測(cè)力減速器[7,8]。該方案選擇諧波減速器內(nèi)的柔輪作為測(cè)力彈性體，將柔輪變形量的大小與機(jī)器人關(guān)節(jié)輸出力矩的大小聯(lián)系起來，無需增加額外的機(jī)械構(gòu)件，在不增加機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的同時(shí)，不引入額外的柔性變形，不降低協(xié)作機(jī)器人的整體剛度，從而不影響協(xié)作機(jī)器人的力——位置控制的精確度。然而目前，針對(duì)這種內(nèi)含諧波測(cè)力減速器的機(jī)器人關(guān)節(jié)輸出力矩標(biāo)定平臺(tái)研究存在一定空白，因而本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人關(guān)節(jié)輸出力矩的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)輸出力矩測(cè)量標(biāo)定的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)力輸出特性的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由負(fù)載系統(tǒng)，采集系統(tǒng)和被測(cè)系統(tǒng)組成。其整體方案如圖1所示。負(fù)載系統(tǒng)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供力矩匹配。磁粉制動(dòng)器作為負(fù)載系統(tǒng)的主要負(fù)載來源，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供基本的負(fù)載力矩。由于磁粉制動(dòng)器的負(fù)載力矩通常較小，通過負(fù)載放大模塊將磁粉制動(dòng)器提供的負(fù)載力矩進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)磁粉制動(dòng)器較小負(fù)載力矩對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)較大輸出力矩的匹配。被測(cè)系統(tǒng)主要由機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)和軟件控制模塊組成，其中機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)在軟件控制模塊驅(qū)動(dòng)下輸出的力矩，是主要的被測(cè)對(duì)象。采集系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器組成和數(shù)據(jù)采集與處理模塊組成。數(shù)據(jù)采集與處理模塊對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器和機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)的力矩信息進(jìn)行同步采集，從而完成對(duì)機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)輸出力矩的測(cè)量。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，研制的樣機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要可分為負(fù)載系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、被測(cè)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和采集系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)這三大部分。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物圖

1.2.1 負(fù)載系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

負(fù)載系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)由聯(lián)軸器、減速器和磁粉制動(dòng)器組成。磁粉制動(dòng)器作為負(fù)載系統(tǒng)的主要負(fù)載來源，其產(chǎn)生的負(fù)載力矩與恒流源施加在磁粉制動(dòng)器上的驅(qū)動(dòng)電流成正比。根據(jù)磁粉制動(dòng)器的特性曲線，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的大小，即可改變磁粉制動(dòng)器的負(fù)載力矩的大小。若施加在磁粉制動(dòng)器上的隨時(shí)間按規(guī)律變化，則實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的負(fù)載力矩為規(guī)律的動(dòng)態(tài)力矩，從而可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)輸出力矩的動(dòng)態(tài)測(cè)量與標(biāo)定。聯(lián)軸器和減速器構(gòu)成了負(fù)載系統(tǒng)的負(fù)載放大模塊，磁粉制動(dòng)器提供的較小的負(fù)載力矩從減速器輸入軸輸入，輸出軸放大輸出至聯(lián)軸器，其放大倍數(shù)等于減速器的傳動(dòng)比。經(jīng)過減速器放大的負(fù)載力矩在聯(lián)軸器上與機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)的輸出力矩實(shí)現(xiàn)了力矩的1:1匹配。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用的磁粉制動(dòng)器額定負(fù)載力矩為6N·m，通過采用不同傳動(dòng)比的減速器，可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)同一負(fù)載力矩不同的放大倍數(shù)，從而提高對(duì)機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)輸出力矩的測(cè)量范圍。當(dāng)傳動(dòng)比為10∶l時(shí)，能夠測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)輸出的最大力矩為60N·m；當(dāng)減速比為50∶1時(shí)，能夠測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)輸出的最大力矩為300N·m。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的負(fù)載采用被動(dòng)加載模式，待測(cè)關(guān)節(jié)輸出力矩傳遞至聯(lián)軸器上。根據(jù)作用力與反作用力原理，磁粉制動(dòng)器將產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)載力矩，其力矩大小在經(jīng)過減速器的放大后與待測(cè)關(guān)節(jié)的輸出力矩相等。此時(shí)，由于磁粉制動(dòng)器只處于被動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并不產(chǎn)生主動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，從而避免由于負(fù)載主動(dòng)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致意外的傷害，也避免了由于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的誤差性產(chǎn)生的額外力矩，非常有利于精密測(cè)量。除此之外，負(fù)載力矩的大小是由作用力與反作用力相等的原理產(chǎn)生，因而理論上與關(guān)節(jié)力矩相等，不會(huì)存在原理誤差。

1.2.2 被測(cè)系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的被測(cè)系統(tǒng)主要由機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)組成。機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中不僅是原始動(dòng)力的供給端也是關(guān)節(jié)輸出力矩的待測(cè)端。機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)安裝于機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)，與機(jī)器人關(guān)節(jié)外殼固定連接。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的力矩輸出端與諧波測(cè)力減速器直接連接，不存在額外機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得諧波測(cè)力減速器的傳動(dòng)力矩與待測(cè)關(guān)節(jié)的輸出力矩為同值對(duì)等關(guān)系，因此使得實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有更好的測(cè)量精度。除此之外，由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的負(fù)載采用被動(dòng)加載模式，機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)在實(shí)驗(yàn)時(shí)參照整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，可以有效避免機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)部走線的纏繞問題。

圖4 機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 采集系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)在硬件上主要由標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器和采集控制儀表組成。標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器采用雙法蘭結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器的量程為200Nm，靈敏度為1.69mv/v，線性度為0.1% F.S.。在結(jié)構(gòu)上，標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器的一端固定在支架板上，另一端則通過法蘭盤與機(jī)器人待測(cè)關(guān)節(jié)外殼相連。因此，從標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器上能直接觀測(cè)到待測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的輸出力矩，不存在額外傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，有利于提高測(cè)量精度。

采集控制儀表則以FPGA為主要架構(gòu)，采樣頻率為80Hz，搭載的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為24位，采用Modbus作為通信傳輸協(xié)議。采集控制儀表支持RS232通信，通過RS232轉(zhuǎn)串口模塊可以輕松實(shí)現(xiàn)采集控制儀表與上位機(jī)的通信連接。采集控制儀表的主要實(shí)現(xiàn)的功能為：1）標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器的橋壓激勵(lì)；2）標(biāo)準(zhǔn)力矩傳感器電壓信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換；3）采集信號(hào)的低通硬件濾波；4）與上位機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通信，發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)主要由關(guān)節(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分和數(shù)據(jù)采集與分析部分組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分主要完成CAN網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)控制以及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。數(shù)據(jù)采集與分析部分主要完數(shù)據(jù)收集保存以及利用MATLAB軟件進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。實(shí)際的軟件上位機(jī)界面如圖6所示。上位機(jī)軟件中特別增設(shè)了一個(gè)信息交互窗口，用以解析電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)回的CAN報(bào)文信息，以提升軟件的人機(jī)交互性。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)整體框圖

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件上位機(jī)界面

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)的控制主要由上位機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器完成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器與上位機(jī)間采用CAN協(xié)議通信。上位機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：1）CAN網(wǎng)卡的初始化程序，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提供通信基礎(chǔ)；2）步進(jìn)電機(jī)控制器初始化程序，初始化步進(jìn)電機(jī)控制器的相應(yīng)工作參數(shù)；3）步進(jìn)電機(jī)的控制程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行模式、加速度、細(xì)分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)速等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置以及對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂?。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)初始化工作完成以后，進(jìn)入等待數(shù)據(jù)采集階段。當(dāng)數(shù)據(jù)采集階段結(jié)束后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

2.2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了Visual Studio 與MATLAB的混合編程。基于Visual Studio的軟件設(shè)計(jì)完成了原始力矩?cái)?shù)據(jù)的串口采集。基于MATLAB的采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成：1）原始力矩?cái)?shù)據(jù)的文本保存；2）原始力矩?cái)?shù)據(jù)幀的處理提取與格式轉(zhuǎn)換，通過識(shí)別Modbus數(shù)據(jù)幀頭提取力矩?cái)?shù)據(jù)，利用移位算法完成力矩?cái)?shù)據(jù)的還原與進(jìn)制轉(zhuǎn)換；3）原始力矩?cái)?shù)據(jù)的繪圖與分析。因諧波測(cè)力減速器的力矩輸出受柔輪變形的影響較大，故針對(duì)諧波測(cè)力減速器的測(cè)量力矩進(jìn)行頻譜分析后，選用切比雪夫低通濾波器進(jìn)行濾波處理。圖7(a)為諧波測(cè)力減速器的輸出力矩曲線及頻譜分析圖，圖7(b)為諧波測(cè)力減速器進(jìn)行低通濾波處理后的輸出力矩曲線圖及頻譜分析圖。

圖7 諧波測(cè)力減速器的輸出力矩曲線

3 實(shí)驗(yàn)

通過研制樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩測(cè)量的初步實(shí)驗(yàn)，以證明實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可行性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，磁粉制動(dòng)器的額定力矩為6Nm，采用的減速機(jī)為行星減速器，其傳動(dòng)比為100∶1；實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行空載測(cè)試，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速在150r/min，記錄空載數(shù)據(jù)如圖8所示?？梢钥吹接捎谘b配、設(shè)備輕微振動(dòng)等原因，力矩傳感器空載時(shí)存在一定的空載力矩。當(dāng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)處于負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過扣除空載力矩，從而減少測(cè)量誤差。

圖8 力矩傳感器空載輸出力矩曲線

負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速在150r/min,磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電壓為4V，平穩(wěn)運(yùn)行數(shù)秒后，記錄力矩?cái)?shù)據(jù)，測(cè)得數(shù)據(jù)如圖9(a)所示。停止關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，更改磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電壓為6V，重啟運(yùn)行數(shù)秒后，啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)記錄力矩?cái)?shù)據(jù)。測(cè)得數(shù)據(jù)如圖9(b)所示?？梢钥吹?，當(dāng)磁粉制動(dòng)器制動(dòng)器的激勵(lì)電壓增大，也就是負(fù)載力矩增大時(shí)，力矩傳感器的測(cè)量力矩?cái)?shù)據(jù)也會(huì)隨之增大。

圖9 力矩傳感器不同靜態(tài)負(fù)載下輸出力矩曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在靜態(tài)不同力矩負(fù)載的情況下，力矩與磁粉制動(dòng)器電壓呈正相關(guān)關(guān)系，不同負(fù)載數(shù)據(jù)下的力矩?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同負(fù)載數(shù)據(jù)下的力矩?cái)?shù)據(jù)表

進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速在150r/min，磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電壓為2.5V，平穩(wěn)運(yùn)行數(shù)秒后，不停止關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，改變磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電壓為4V，輸出的力矩曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，在保持關(guān)節(jié)電機(jī)持續(xù)運(yùn)作的情況下，可以通過實(shí)時(shí)改變磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電壓實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)負(fù)載力矩的加載。

圖10 力矩傳感器動(dòng)態(tài)負(fù)載下輸出力矩曲線

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的輸出力矩進(jìn)行測(cè)量與標(biāo)定，是研究機(jī)器人力輸出特性的基礎(chǔ)裝備，在提升機(jī)器人人機(jī)交互性和機(jī)器人力矩研究方面具有重要的意義。同時(shí)，設(shè)計(jì)中利用減速器、磁粉制動(dòng)器等機(jī)械結(jié)構(gòu)使得實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有適應(yīng)測(cè)量范圍廣、測(cè)量精度高、滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量要求等特點(diǎn)。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)成功測(cè)得機(jī)器人關(guān)節(jié)的輸出力矩，為之后對(duì)內(nèi)含諧波測(cè)力減速器的機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩的進(jìn)一步分析提供了設(shè)備前提和硬件保障。