緊湊型內(nèi)嵌扭矩傳感器機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計

金 力，王成軍，夏科睿，毛吉燦，陸 芳

(1.哈工大機(jī)器人(合肥)國際創(chuàng)新研究院，合肥 230601；2.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院，淮南 232001；3.深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實驗室，淮南 232001；4.安徽中科米點(diǎn)傳感器有限公司，合肥 230088)

服務(wù)行業(yè)是機(jī)器人應(yīng)用的重要領(lǐng)域，輕型協(xié)作機(jī)器人以其輕量化、易用性、安全性等特點(diǎn)，成為機(jī)器人的重要發(fā)展和研究方向。一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)作為協(xié)作機(jī)器人的核心驅(qū)動單元，對其輕量化和安全性的研究十分必要[1-2]。目前，各主要廠家協(xié)作機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，其關(guān)節(jié)主要采用一體式諧波減速機(jī)方案，難以實現(xiàn)緊湊和輕量化。且關(guān)節(jié)無扭矩傳感器配置，力控主要基于驅(qū)動器電流反饋方案，力控精度較差。

通過采用定制化三組件諧波減速機(jī)、定制化高功率密度電機(jī)和定制化扭矩傳感器方案，實現(xiàn)一體化關(guān)節(jié)的緊湊化和輕量化，大幅降低協(xié)作機(jī)器人自重[3]。扭矩傳感器作為力感知元件，相對于關(guān)節(jié)驅(qū)動器電流檢測，可以更靈敏、準(zhǔn)確感知機(jī)器人關(guān)節(jié)負(fù)載變化，從而實現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人與人之間的碰撞安全性和交互柔順性。

1 機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 關(guān)節(jié)設(shè)計要求及指標(biāo)

面向服務(wù)行業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人一般對負(fù)載要求較小，對力控及安全性要求較高。根據(jù)機(jī)器人一體化系列關(guān)節(jié)的設(shè)計方法，關(guān)節(jié)負(fù)載主要由受力最薄弱的諧波減速機(jī)限制，考慮使用14、17型減速機(jī)，進(jìn)一步得到關(guān)節(jié)負(fù)載能力設(shè)計指標(biāo)。使用無框力矩電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速一般設(shè)計為3 000 r/min，根據(jù)式(1)，由諧波額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩可折算得到電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Tm，其計算公式為

(1)

式(1)中：Tj為機(jī)器人關(guān)節(jié)額定扭矩；i為諧波減速機(jī)速比；η為諧波減速機(jī)效率，η取60%～95%[4]。

綜合考慮一體化關(guān)節(jié)研制的經(jīng)濟(jì)性，盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)零部件，減少定制部件的使用，對緊湊性要求，盡可能優(yōu)化設(shè)計，減輕關(guān)節(jié)質(zhì)量，綜合確定14、17型一體化關(guān)節(jié)設(shè)計參數(shù)如表1所示。其中定制電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為1.5～2倍電機(jī)計算轉(zhuǎn)矩Tm，電機(jī)選型留有余量。關(guān)節(jié)選用多圈絕對值編碼器，低壓伺服驅(qū)動器實現(xiàn)對關(guān)節(jié)系統(tǒng)的伺服控制，關(guān)節(jié)最小分辨率為0.2″。

表1 緊湊機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計參數(shù)

1.2 關(guān)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

湊型內(nèi)嵌扭矩傳感器機(jī)器人關(guān)節(jié)，以17型減速機(jī)為例，主要由扭矩傳感器、諧波減速機(jī)、無框力矩電機(jī)、編碼器和驅(qū)動器組成，如圖1所示。采用定制設(shè)計三組件諧波減速機(jī)，保證關(guān)節(jié)的緊湊性，關(guān)節(jié)軸承選用超薄交叉滾子軸承(徑向額定動載荷 5.68 kN，徑向額定靜載荷8.68 kN)，一方面提高關(guān)節(jié)的剛度；另一方面可以減少非軸向彎矩對力矩傳感器干擾，提高關(guān)節(jié)扭矩測量精度[5]。定制無框力矩電機(jī)，具備高功率密度與大扭矩特點(diǎn)。關(guān)節(jié)編碼器采用16位多圈絕對值編碼器，低功耗保存關(guān)節(jié)多圈絕對位置，關(guān)節(jié)驅(qū)動器采用現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)架構(gòu)，配置模擬量采集及A/D轉(zhuǎn)換端口，支持扭矩傳感器數(shù)據(jù)采集。

圖1 機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 關(guān)節(jié)加載仿真分析

對設(shè)計17型緊湊型關(guān)節(jié)進(jìn)行加載仿真測試研究，驗證關(guān)節(jié)設(shè)計的合理性。方案采用的編碼器動對靜盤間隙要求較為苛刻，利用有限元分析軟件對主要承載部件進(jìn)行靜力學(xué)分析[6-7]。關(guān)節(jié)殼體與編碼器安裝盤之間固定連接，約束關(guān)節(jié)外圈螺釘孔，在鋼輪安裝面位置加載，最大扭矩70 N·m，得到整體零件的應(yīng)力與變形分布情況，如圖2所示，根據(jù)結(jié)果分析得到最大應(yīng)力約為10 MPa，應(yīng)力分布均勻無集中，且遠(yuǎn)小于6061鋁合金材料屈服強(qiáng)度。分析整體變形分布結(jié)果，獲得編碼器動盤軸承座處變形量為0.006 mm，滿足編碼器動靜盤安裝間隙要求。

圖2 關(guān)節(jié)殼體應(yīng)力與變形分布

2 關(guān)節(jié)扭矩傳感器設(shè)計

2.1 扭矩傳感器本體設(shè)計

考慮到機(jī)器人關(guān)節(jié)緊湊性要求，需對扭矩傳感器進(jìn)行定制化設(shè)計，包括傳感器彈性體設(shè)計和傳感器信號處理電路設(shè)計兩部分。應(yīng)變片式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，穩(wěn)定性高，成本低，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)，如德國宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt, DLR)機(jī)器人、Frank Emika機(jī)器人等[8]。根據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計原則，以17型關(guān)節(jié)為例，扭矩傳感器允許最大瞬時負(fù)載為 70 N·m，平均負(fù)載為±40 N·m，采用輪輻式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)，初步設(shè)計傳感器本體如圖3所示，采用四梁結(jié)構(gòu)，固定端位于輪輻盤中間位置，扭矩輸出為輪輻盤圓周部分，輪輻寬度H為14 mm，厚度B為 3 mm，長度L為10 mm。

2.2 傳感器本體受力分析

扭矩傳感器彈性體常采用鋁合金、合金鋼和不銹鋼材質(zhì)，考慮到17號關(guān)節(jié)平均負(fù)載較小，選用密度低、切削性能好的6061-T6鋁合金。材料力學(xué)性能：彈性模量68.9 GPa，泊松比0.33，屈服極限276 MPa，強(qiáng)度極限310 MPa[9]。傳感器本體內(nèi)圈固定安裝在減速機(jī)輸出端，關(guān)節(jié)扭矩作用在傳感器圓周上，使用有限元分析軟件，設(shè)置材料屬性，定義固定約束，傳感器圓周方向最大負(fù)載70 N·m，得到傳感器本體的應(yīng)力分布。如圖4所示，結(jié)果顯示最大應(yīng)力為107 MPa，小于屈服極限，最大應(yīng)變出現(xiàn)在輪輻根部。

圖4 傳感器本體應(yīng)力分布

采用應(yīng)變片變形原理測量扭矩，應(yīng)變片貼裝位置應(yīng)該安裝在輪輻應(yīng)變最大處，以便獲得更明顯應(yīng)變片阻值變化[10]。由于設(shè)計扭矩傳感器本體為非完全對稱結(jié)構(gòu)，各梁受力非完全相等，采用有限元分析方法，研究輪輻根部貼片位置觀測點(diǎn)應(yīng)變與扭矩變化，以5 N·m扭矩步進(jìn)加載到設(shè)計扭矩40 N·m，得到觀測點(diǎn)應(yīng)力與扭矩變化擬合如圖5所示，由于材料彈性模量常數(shù)不變，根據(jù)胡克定律，分析得到輪輻根部應(yīng)變與扭矩成正比關(guān)系，且線性度較好，輪輻根部適合布置應(yīng)變片。

圖5 觀測點(diǎn)扭矩與應(yīng)變關(guān)系

2.3 傳感器電路系統(tǒng)設(shè)計

如圖6所示，負(fù)載扭矩作用于傳感器本體產(chǎn)生形變，應(yīng)變片產(chǎn)生阻值變化，引起惠斯通電橋電壓變化，如圖7所示，通過電路系統(tǒng)將電信號放大和濾波，最后輸入到驅(qū)動器模擬量端口，經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)化獲得傳感器信號[11]。其中，電橋電壓Uo與供電電壓Ui、應(yīng)變ε關(guān)系可表示為

圖6 扭矩傳感器工作原理圖

圖7 扭矩傳感器全橋電路

(2)

式(2)中：R1=R2=R3=R4，為各應(yīng)變片的阻值；ΔR為阻值變化量；分子中ΔR為被忽略項；ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4分別為各電橋應(yīng)變片的電阻變化值；K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)；ε為應(yīng)變。

根據(jù)關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動器模擬量輸入端口參數(shù)，確定傳感器工作電壓為5 V，由于全橋電路輸出電信號微弱，且易受高頻電路噪聲干擾，使用綜合性能較高的INA129運(yùn)算放大器，配置放大倍數(shù)為150倍，使用RC低通濾波電路過濾高頻電磁噪聲[12]，獲得穩(wěn)定的傳感器信號，圖8為傳感器信號調(diào)理電路模塊，電路板尺寸40 mm×22 mm，可嵌入安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)尾部。

圖8 傳感器信號調(diào)理模塊電路

2.4 傳感器靜態(tài)標(biāo)定實驗

對研制的關(guān)節(jié)扭矩傳感器進(jìn)行標(biāo)定實驗，從非線性度誤差、靈敏度、零漂和滯后誤差4個方面對其性能進(jìn)行性能研究[13-14]，如圖9所示，設(shè)計扭矩測試工裝，使用不同質(zhì)量砝碼負(fù)載，在扭矩加載機(jī)上進(jìn)行加載測試。

圖9 扭矩傳感器靜態(tài)標(biāo)定實驗

從零點(diǎn)開始階躍進(jìn)行加載到額定最大負(fù)載，然后從最大負(fù)載逐步減小，反方向負(fù)載重復(fù)測試一次，獲得負(fù)載扭矩與輸出電壓之間測試數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用最小二乘法得到負(fù)載扭矩與電壓曲線如圖10所示。

圖10 扭矩電壓擬合曲線

表2 靜態(tài)標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)

分析扭矩加載測試數(shù)據(jù)及擬合曲線，扭矩傳感器線性度較高，測試及計算得到扭矩傳感器參數(shù)如表3所示，對比其他關(guān)節(jié)扭矩傳感器，參數(shù)相當(dāng)，性能良好[15]。

表3 扭矩傳感器性能參數(shù)

3 緊湊型機(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)用

3.1 關(guān)節(jié)負(fù)載測試實驗

使用負(fù)載試驗臺對14型、17型機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行加載實驗，如圖11所示，磁粉制動器最大制動范圍50 N·m，扭矩傳感器范圍±70 N·m，通過增大磁粉制動器電流來增加關(guān)節(jié)負(fù)載，設(shè)置關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min勻速轉(zhuǎn)動，分別加載到平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩8、27 N·m，正反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行1 H，關(guān)節(jié)運(yùn)行正常，電流穩(wěn)定。關(guān)節(jié)最高溫升為分別為55、48 ℃，溫升較高，分析原因為電機(jī)寬度偏短，功率密度過高導(dǎo)致，在關(guān)節(jié)應(yīng)用時，要充分考慮散熱。關(guān)節(jié)實物如圖12所示，關(guān)節(jié)型號質(zhì)量尺寸參數(shù)如表4所示。

圖11 關(guān)節(jié)負(fù)載測試實驗

表4 緊湊型關(guān)節(jié)樣機(jī)參數(shù)

3.2 關(guān)節(jié)機(jī)械臂應(yīng)用實驗研究

基于研制的14型、17型緊湊型機(jī)器人關(guān)節(jié)，其中17型內(nèi)嵌扭矩傳感器，組建五軸輕型機(jī)械臂。如圖13所示，機(jī)器人本體采用碳纖維復(fù)合材質(zhì)，應(yīng)用2個17型關(guān)節(jié)，3個14型號關(guān)節(jié)，機(jī)械臂臂展 630 mm，本體自重5.5 kg(包含夾爪)，負(fù)載1 kg(不包含夾爪)，搭載智能實時機(jī)器人操作系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)器人的開門作業(yè)，驗證了緊湊型關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性與可靠性。

圖13 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂應(yīng)用研究

4 結(jié)論

對一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行緊湊化系統(tǒng)方案設(shè)計，研制了14型、17型機(jī)器人關(guān)節(jié)，設(shè)計了17型關(guān)節(jié)內(nèi)嵌扭矩傳感器，并將關(guān)節(jié)應(yīng)用于機(jī)械臂上。得出如下結(jié)論。

(1)采用三組件諧波減速機(jī)和內(nèi)嵌式扭矩傳感器設(shè)計方案，關(guān)節(jié)負(fù)載與關(guān)節(jié)質(zhì)量比可提升30%～35%。

(2)關(guān)節(jié)端蓋內(nèi)嵌四梁輪輻式扭矩傳感器，參數(shù)性能良好，同時可縮短關(guān)節(jié)軸向尺寸，使關(guān)節(jié)更緊湊。

(3)緊湊型關(guān)節(jié)和高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材質(zhì)的應(yīng)用，可進(jìn)一步減輕機(jī)械臂本體重量，提高機(jī)械臂與人交互安全性。