空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩傳感器的研制

侯鵬飛，劉伊威，謝宗武

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

Development of Joint Torque Sensor on Space Manipulator

HOU Pengfei, LIU Yiwei, XIE Zongwu

(State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩傳感器的研制

侯鵬飛，劉伊威，謝宗武

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

Development of Joint Torque Sensor on Space Manipulator

HOU Pengfei, LIU Yiwei, XIE Zongwu

(State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂的主動柔順控制，成功研制了一種基于電阻應(yīng)變原理的新型關(guān)節(jié)力矩傳感器。該傳感器采用輪輻式彈性體設(shè)計(jì)，具有機(jī)械過載限位保護(hù)和溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。通過ANSYS軟件的有限元分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和良好的線性特性。對力矩傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其靜態(tài)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變；力矩傳感器；彈性體；遲滯

中圖分類號：V476.5；TP241

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)07-0077-04

收稿日期：2015-03-06

作者簡介：侯鵬飛(1989-)，男，河北南和人，碩士研究生，研究方向是空間機(jī)器人技術(shù)；劉伊威(1977-)，男，黑龍江雙城人，博士，副教授，主要從事空間機(jī)器人技術(shù)研究。

Abstract：In order to achieve the active compliance control of a space manipulator, a joint torque sensor is successfully developed based on the principle of resistance strain. The sensor used the spoke-structure elastomer design, with the functions of mechanical overload’s limit protection and temperature compensation. Through the finite element analysis with ANSYS, its structural design and good linearity were well verified. Then, the calibration experiment was conducted. The results show that the static indicators meet the design requirements.

Key words：resistance strain; torque sensors; elastomer; hysteresis

0引言

空間機(jī)械臂在執(zhí)行空間操作時(shí)，通常會遇到抓握、旋擰等接觸類操作任務(wù)，而如何對其進(jìn)行有效控制是關(guān)鍵所在。對于僅要求自由空間運(yùn)動的操作，如焊接、噴涂、轉(zhuǎn)移貨物等，機(jī)械臂對環(huán)境所做的瞬時(shí)機(jī)械功可以忽略，位置控制往往可以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度[1-3]。但在執(zhí)行約束空間的操作時(shí)，若末端執(zhí)行器與環(huán)境的作用力信息沒有反饋，較小的位置誤差就可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至損壞機(jī)械臂本體。為了提高空間機(jī)械臂的操作性能和環(huán)境適應(yīng)能力，將關(guān)節(jié)力矩信號引入控制策略可以改善控制效果[4]。

關(guān)節(jié)力矩傳感器集成于模塊化關(guān)節(jié)內(nèi)部，通過檢測關(guān)節(jié)輸出力矩信息來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的主動柔順控制，進(jìn)而增強(qiáng)機(jī)械臂對周圍環(huán)境的認(rèn)知能力。為此，設(shè)計(jì)了一種新型的關(guān)節(jié)力矩傳感器，并通過有限元分析與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

1關(guān)節(jié)力矩傳感器的設(shè)計(jì)

應(yīng)變片式測力傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好、成本低和適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，且通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以應(yīng)用于較為惡劣的環(huán)境，故針對基于電阻應(yīng)變原理的關(guān)節(jié)力矩傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)力矩傳感器的設(shè)計(jì)目的，確定其設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1關(guān)節(jié)力矩傳感器設(shè)計(jì)指標(biāo)

指標(biāo)設(shè)計(jì)要求最大負(fù)載力矩/(N·m)80剛度/(N·m/rad)≥104線性度/%<3遲滯/%<5其他結(jié)構(gòu)對稱,滿足尺寸配合要求

2A12硬鋁合金具有強(qiáng)度高、密度小和熱處理強(qiáng)化效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，是制造力矩傳感器的理想材料。其力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

表22A12硬鋁合金力學(xué)性能指標(biāo)

密度/(kg/m3)泊松比彈性模量/GPa屈服強(qiáng)度/MPa27800.3268000≥325

機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。力矩傳感器內(nèi)側(cè)固定于諧波減速器的輸出端，通過鎖緊螺母與柔輪連接，以便于直接檢測關(guān)節(jié)承受的動態(tài)力矩。為了避免外界干擾力直接耦合到力矩傳感器，沒有將力矩傳感器作為輸出接口，而是通過關(guān)節(jié)外殼和交叉滾子軸承等中間環(huán)節(jié)的緩沖作用，將干擾作用降到最小。根據(jù)關(guān)節(jié)安裝要求，同時(shí)為了避免力矩傳感器信號處理線路產(chǎn)生故障，將力矩傳感器電路板直接固定到力矩傳感器的端面。

圖1　模塊化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)組成

關(guān)節(jié)力矩傳感器采用輪輻式彈性體的設(shè)計(jì)，包括8根均勻分布的彈性梁，如圖2所示。其中，4根主梁作為輸入法蘭盤和輸出法蘭盤的聯(lián)接環(huán)節(jié)，利用其側(cè)面彈性應(yīng)變區(qū)的變形來測量力矩；同主梁相間分布的四根梁為懸臂梁，其末端位置設(shè)計(jì)有限位塊，提供關(guān)節(jié)力矩傳感器機(jī)械過載時(shí)的限位保護(hù)。在每根主梁的側(cè)面應(yīng)變區(qū)對稱粘貼電阻應(yīng)變片，同一根主梁的2個應(yīng)變片組成惠斯通半橋，同時(shí)相對180°分布的2組應(yīng)變片組成全橋，如圖3所示。其中，R0為配平電阻，通過調(diào)整R0使得測量前全橋電路的輸出電壓為零。關(guān)節(jié)力矩傳感器通過兩組全橋電路的補(bǔ)償作用，來消除溫度變化、橫向力等干擾造成的影響[5]。

關(guān)節(jié)力矩傳感器的敏感材料選用Vishay公司生產(chǎn)的SR-4型應(yīng)變片，其阻值為350 ± 0.2% Ω，具有靈敏度高、功耗低、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖2　關(guān)節(jié)力矩傳感器組件模型

圖3　全橋電路

2關(guān)節(jié)力矩傳感器的有限元分析

綜合考慮敏感區(qū)彈性應(yīng)變、過載保護(hù)區(qū)形變、剛度值以及應(yīng)力等要求，利用ANSYS軟件對力矩傳感器進(jìn)行校核與優(yōu)化，結(jié)果如圖4所示。

圖4　關(guān)節(jié)力矩傳感器的ANSYS分析結(jié)果

由圖4a可知，力矩傳感器的彈性應(yīng)變區(qū)位于主梁側(cè)面靠近內(nèi)側(cè)圓的根部，彈性應(yīng)變約為1/1 000，且變形均勻，滿足電阻應(yīng)變片的測量要求；由圖4b可知，過載保護(hù)區(qū)最大形變?yōu)?.049 mm，于是調(diào)整限位塊與相鄰擋板的間隙為0.06 mm，可達(dá)到過載保護(hù)的目的；由圖4c可知，力矩輸入端的最大變形量為0.029 mm，故傳感器剛度K=Tmax/θmax=5.11×105N·m/rad，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；圖4d中總應(yīng)力最大值為131.49 MPa，又2A12硬鋁合金的屈服強(qiáng)度≥325 MPa，故應(yīng)力滿足使用要求。綜上分析，關(guān)節(jié)力矩傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

對力矩傳感器施加以10 N·m為間隔的等梯度力矩，分析各力矩值對應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)力，進(jìn)而驗(yàn)證力矩傳感器的線性關(guān)系。等梯度力矩下的應(yīng)力應(yīng)變值如表3所示。其中，敏感值和峰值分別為彈性應(yīng)變區(qū)和整個傳感器的對應(yīng)值。將得到的應(yīng)變和應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別得到如圖5和圖6所示的曲線。

表3等梯度載荷下的應(yīng)變應(yīng)力值

載荷/(N·m)應(yīng)變應(yīng)力/MPa敏感值峰值敏感值峰值101.2×10-42.46×10-4816.44202.4×10-44.91×10-41632.88303.6×10-47.37×10-42449.31404.8×10-49.83×10-43265.75506.1×10-412.28×10-44082.18607.2×10-414.70×10-44898.62708.1×10-417.20×10-456115.06809.5×10-419.60×10-465131.49

圖5　應(yīng)變-載荷擬合

圖6　應(yīng)力-載荷擬合

綜上可知，在等梯度載荷的作用下，力矩傳感器產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力均具有良好的線性特性，滿足應(yīng)變片的測量要求。

3關(guān)節(jié)力矩傳感器標(biāo)定

通過ANSYS軟件從理論上驗(yàn)證了力矩傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，但實(shí)際中由于存在制造組裝誤差、應(yīng)變片的阻值差異及其粘貼精度等問題，力矩傳感器的輸出信號將受到影響。為此，需要對力矩傳感器進(jìn)行標(biāo)定，以減小機(jī)械臂關(guān)節(jié)的系統(tǒng)誤差。

結(jié)合力矩傳感器在關(guān)節(jié)中的位置和受力情況，設(shè)計(jì)了一套關(guān)節(jié)力矩傳感器標(biāo)定平臺。該平臺主要包括力矩傳感器組件、連接單元、傳動單元、加載單元(1 kg砝碼若干)、信號處理單元、上位機(jī)(含串口接收軟件)、直流電源和固定支架等。具體標(biāo)定流程為：

a.設(shè)定傳動路線，對力矩傳感器施加順時(shí)針方向的力矩，從空載開始每次加1個砝碼，加到最大載荷后逐次減載，減到空載時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

b.改變傳動路線，以同樣的方法進(jìn)行逆時(shí)針方向加載，并記錄數(shù)據(jù)，至此完成1次標(biāo)定過程。

c.重復(fù)上述操作5次，分別記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)，其中橋路A測得的數(shù)據(jù)如表4所示。

d.繪制實(shí)驗(yàn)曲線，并計(jì)算傳感器靜態(tài)指標(biāo)，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

4標(biāo)定結(jié)果分析

以電橋A為例，繪制力矩傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)曲線，如圖7所示。進(jìn)行最小二乘擬合，即得到力矩傳感器的靜態(tài)特性實(shí)測曲線和遲滯特性曲線，分別如圖8和圖9所示。計(jì)算力矩傳感器2個全橋的線性度、重復(fù)度、遲滯誤差和靈敏度等靜態(tài)指標(biāo)[6]，如表5所示。

圖7　力矩傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)曲線

圖8　力矩傳感器靜態(tài)特性實(shí)測曲線

表4橋路A標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄

記錄項(xiàng)加載過程減載過程施加力矩/(N·m)3.9219.634.550.265.980.065.950.234.519.63.92標(biāo)定值順時(shí)針逆時(shí)針實(shí)驗(yàn)119441704145712219937239201158144617021974實(shí)驗(yàn)219561702148012179737509091164142916871962實(shí)驗(yàn)319571702147912149557429091145141316921963實(shí)驗(yàn)419561716146512219807328791145142416841962實(shí)驗(yàn)519591718146412319957168791165142716831960均值19551708146912219797338991155142816901965實(shí)驗(yàn)121082345260628203064332931652903261223552083實(shí)驗(yàn)221022343259928323069331431582900262523632093實(shí)驗(yàn)321022345259028343066330931542883262523712092實(shí)驗(yàn)421002338258528393058326931342879263523752095實(shí)驗(yàn)520962348257828103103332431652911264123662097均值21022344259228273073330931552885262823652092

圖9　力矩傳感器遲滯特性曲線

表5力矩傳感器靜態(tài)指標(biāo)

序號線性度/%重復(fù)度/%遲滯/%靈敏度/(V/(N·m))電橋A0.522.443.180.0201電橋B0.532.443.180.0201

由圖8可知，設(shè)計(jì)的力矩傳感器的靜態(tài)特性實(shí)測曲線呈現(xiàn)出較好的線性特性。電橋A和電橋B的曲線擬合方程分別為y=0.0201x+2.5262和y=0.0201x+2.5259，可知該傳感器的2個全橋電路近似對稱。從表5可以看出，力矩傳感器的線性度遠(yuǎn)小于3%，且遲滯小于5%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5結(jié)束語

面向空間接觸類操作任務(wù)，成功地研制了一種新型關(guān)節(jié)力矩傳感器，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的主動柔順控制。該傳感器采用電阻應(yīng)變原理，通過輪輻式彈性體的設(shè)計(jì)以檢測關(guān)節(jié)輸出力矩，增設(shè)的限位塊可提供過載限位保護(hù)，組建了兩個惠斯通全橋以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。利用ANSYS對敏感區(qū)彈性應(yīng)變、過載保護(hù)區(qū)形變、剛度值以及應(yīng)力等指標(biāo)進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和良好的線性特性。最后，對力矩傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，繪制了靜態(tài)特性實(shí)測曲線和遲滯特性曲線，結(jié)果表明傳感器的靜態(tài)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]An.CH，Atkeson.CG，Griffiths.JD，et al. Experimental evaluation of feedforward and computed torque control[J]. IEEE Transactions on Robot and Automation，1989，5(3)：368-373.

[2]Gu Y L，Xu Y. A normal form augmentation approach to daptive control of space robot systems[J]. Dynamics and Control，1995，5(3)：275-294.

[3]Khatib O. A unified approach for motion and force control of robotic manipulators：the operational space figuretion[J]. IEEE Journal of Robotics and Automation，1987，3(1)：43-53.

[4]Ghorbel.F，Hung.JY，Spong.MW. Adaptive control of flexible-joint manipulators[J]. IEEE Control Systems Magazine. 1989，4(3)：9-13.

[5]Hirzinger G， Albu-Schaffer A， Hahnle M， et al. On a new generation of torque controlled light-weight robots[C]∥Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Robotics & Automation，2001：3356-3363.

[6]趙學(xué)增．現(xiàn)代傳感技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.