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扭矩傳感器在機器人關(guān)節上的應用
來(lái)源：　點(diǎn)擊數：1878次　更新時(shí)間：2022/2/4 11:25:55
   扭矩傳感器在機器人關(guān)節上的應用
為確保協(xié)作機器人的安全性，需要在協(xié)作機器人關(guān)節處安裝扭矩傳感器，由于協(xié)作機器人自身關(guān)節尺寸有限且負載比較小，需要一種結構緊湊、靈敏度高的扭矩傳感器。 為解決這一難題，在分析傳統輪輻式扭矩傳感器的基礎上，提出了一種機器人關(guān)節輸出軸和傳感器一體化的結構，對傳感器彈性體建立力學(xué)模型、數學(xué)模型，使用響應面法對彈性體結構參數進(jìn)行優(yōu)化，根據 Ｂｏｘ⁃Ｂｅｈｎｋｅｎ 法進(jìn)行變量設計，然后利用 ＵＧ／ Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 進(jìn)行有限元仿真驗證。 結果表明，優(yōu)化后的傳感器具有良好的抗過(guò)載能力、線(xiàn)性度及靈敏度。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｉｎｓｔａｌｌ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｔ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ．Ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐａｃｔ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｒｅ ｎｅｅｄｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ ｊｏｉｎｔ’ｓ ｓｉｚｅ ｌｉｍｉｔａ⁃ｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｌｏａｄ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｓｈａｆｔ ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｒｏｓｓ⁃ｂｅａｍ ｔｏｒｑｕｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｕｒ⁃ｆａｃｅ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ Ｂｏｘ⁃Ｂｅｈｎｋｅｎ ｄｅｓｉｇｎ．
Ｔｈｅｎ ＵＧ／ Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｈａｓ ｇｏｏｄ ａｎｔｉ⁃ｏｖｅｒ⁃ｌｏａｄ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．
協(xié)作機器人作為新興產(chǎn)業(yè)代表 ［１］ ，被視為實(shí)現中國制造２０２５ 的關(guān)鍵 ［２－３］ 。 協(xié)作機器人由于與人協(xié)同工作更強調安全性 ［４］ ，高靈敏的扭矩傳感器能夠準確測量機器人關(guān)節受力情況，從而確保足夠的安全性。 而如何獲得最優(yōu)的傳感器彈性體結構一直是設計難題 ［５］ 。 潘新安等通過(guò)將應變片粘貼在諧波減速器柔輪上測量扭矩，但是柔輪的噪聲對測量影響很大 ［６］ ；文獻［７］設計了“彈簧離合器”式傳感器，能減少關(guān)節的碰撞力；文獻［８］設計了一款異形體傳感器，靈敏度高但彈性體結構復雜難以加工；王羅羅等設計一款帶有保護梁的扭矩傳感器，測量應變梁的剪切應變，應變較小 ［９］ ；蔣聰等對輪輻式結構進(jìn)行了優(yōu)化設計，加工性好但增加了關(guān)節軸向尺寸 ［１０］ 。
本文在詳細分析傳統關(guān)節扭矩傳感器測量原理的基礎上，基于一體化設計理念，提出了扭矩傳感器與輸出軸一體化結構，降低了關(guān)節軸向尺寸，提高了關(guān)節負載／ 自重比。 同時(shí)，借助有限元仿真及響應面法，得到了一種扭矩傳感器彈性體的優(yōu)化方法。
１　扭矩傳感器需求分析及結構設計
１．１　傳感器需求分析
圖１ 為新一代協(xié)作機器人的關(guān)節內部結構，即本文傳感器設計的應用對象。 由于關(guān)節外殼、諧波減速器已確定， 故 傳 感 器 最 大 外 徑 應 小 于 關(guān) 節 上 殼 內 徑（６３．５ ｍｍ），內輪緣上螺栓圓中心線(xiàn)直徑為 ２７ ｍｍ，最大高度１２ ｍｍ。 根據機械臂工況需求，扭矩傳感器量程為０～３０ Ｎ·ｍ，且具有２．５倍的抗過(guò)載能力，即傳感器能承受７５ Ｎ·ｍ 的瞬時(shí)載荷，載荷釋放后，傳感器仍可正常工作。
圖 １　協(xié)作機器人關(guān)節結構圖
１．２　傳感器整體設計
為最大程度減小關(guān)節尺寸，降低關(guān)節整體質(zhì)量，采用一體化設計理念，將關(guān)節輸出軸與傳感器設計為一體，整體安裝示意圖如圖 ２ 所示。

圖 ２　傳感器安裝示意圖
扭矩傳感器的內輪緣與諧波減速器的輸出端柔輪通過(guò)諧波壓圈螺栓連接，扭矩傳感器的外輪緣與軸承基座連接，傳感器的末端與絕對值編碼器轉子連接，便于對關(guān)節進(jìn)行位置控制；同時(shí)，采用交叉滾子軸承進(jìn)行支撐，有效避免軸向力與徑向力對扭矩傳感器的干擾，提高傳感器測量的準確性與可靠性；最后通過(guò)輸出轉接件將運動(dòng)傳遞至下一關(guān)節。
１．３　傳感器彈性體設計
考慮到機械臂關(guān)節負載較小，內部空間有限，故采用 ４ 條輪輻的彈性體結構，一方面便于后期加工和應變片粘貼，另一方面利用其剩余空間便于后期調理電路板的安裝。 軸承基座和扭矩傳感器結構如圖３、圖４ 所示。
圖 ４　彈性體示意圖

傳感器彈性體通常要求材料屈服極限高、耐腐蝕、各向同性及加工性好，在對比常用材料后，選擇鋁合金 ７０７５－Ｔ６，其材料特性如表 １ 所示。
２　傳感器力學(xué)模型分析
建立傳感器彈性體力學(xué)模型，分析彈性體所受力與應變梁變形之間的關(guān)系，方便進(jìn)一步優(yōu)化傳感器結構。 由于傳感器過(guò)渡軸段部分幾乎不受力，所以受力分析時(shí)可忽略。 傳感器彈性體的變形主要是應變梁的彎曲變形，加載環(huán)與固定環(huán)的變形可近似忽略，彈性體可簡(jiǎn)化為如圖 ５ 所示。 圖 ５ 中，固定環(huán)最大外徑為 Ｒ ２ ，加載環(huán)外徑為 Ｒ １ ，應變梁長(cháng)度為 ｌ，寬度為 ｈ，厚度為 ｂ。
圖 ５　彈性體簡(jiǎn)化模型

傳感器只受到扭矩 Ｍ 的作用，取加載環(huán)為受力研究對象。 加載環(huán)受到兩部分作用力：扭矩 Ｍ 和應變梁的反作用力；由彈性體對稱(chēng)結構可知 ４ 條應變梁的反作用力大小相同。 取任一條應變梁與加載環(huán)接觸點(diǎn)，建立力學(xué)模型，如圖 ６ 所示。

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