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面向人机协作的牵引式六维力传感器的研发

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面向人机协作的牵引式六维力传感器的研发

随着工业机器人智能化水平不断提高,基于力传感的人机协作也成为研究热点。其中,面向人机协作的机器人牵引式示教,由于其互动友好的特点,对未来的机器人示教技术发展具有革命性意义。然而如果在牵引式示教时机器人末端还存在负载,这时就无法直接对示教牵引力和机器人末端接触力进行解耦测量,因此机器人牵引式示教在工业上无法得到广泛应用。为了解决这个难题,本文设计了一种牵引式六维力传感器
 
六维力传感器在牵引式直接示教时,能够从结构上解耦示教牵引力和机器人末端接触力。这样在机器人有工作负载的情况下,也可以实现人手牵引力的直接示教。牵引式六维力传感器主要设计研究工作如下:
(1)设计了面向工业机器人的牵引力传感器系统,包括工业机器人平台、六维力弹性体、应变片组桥电路、数据采集卡硬件、数据采集软件以及数据处理算法。并介绍了传感器系统各组成的分工与作用。
(2)根据不同传感器弹性体结构的利弊以及人手牵引式六维力的特点,设计了整体式全剪切六维力薄壁圆筒传感器作为牵引式六维力传感器的结构。进一步的,假设了整体式薄壁圆筒六维力弹性体的重要尺寸参数。在六维力作用下对弹性体结构做了力学应力分析。以弹性体的灵敏度要求和许用应力等为边界条件,得到弹性体的重要尺寸参数取值。创新的设计思路大大的降低了传感器前期尺寸设计难题,为薄壁圆筒弹性体的设计提出了一种行之有效的方法和准则。
(3)建立了弹性敏感体的有限元模型。并根据六维力下弹性敏感体有限元模型的应力应变,分析传感器主要静态特性(灵敏度、维间耦合和线性度),得到了弹性敏感体灵敏度高、线性度好但存在较大维间耦合。为后续的贴片与组桥电路设计提供了依据。
(4)设计了测量六路信号的应变片组及其贴片方位,确保了应变片组对所测力或力矩灵敏度最大。设计了六路信号应变片组的组桥电路,确保了其他五维力或力矩产生对测量本维信号的耦合影响理论为0。(5)设计了传感器标定实验,分析传感器实际静态特性满足了设计要求。最后根据最小二乘法测量多组数据计算出解耦矩阵,实现了六维传感器的解耦。
 
针对目前六维力传感器普遍存在的体积偏大、操作繁琐、应用场景复杂的问题,设计了一种基于电阻应变原理的小型化无线六维力传感器。首先,基于十字横梁结构设计传感器的弹性体,并通过ANSYS软件进行结构静力学分析,确定了传感器的最优结构尺寸;其次,基于传感器小型化和无线传输的设计要求,设计了传感器的内部硬件电路,包括四等臂全桥电路、两级放大电路以及数据采集与传输电路,有效减小了传感器的体积,增强了灵活性;最后,设计并优化了静态标定方法及静态解耦算法,降低了传感器的维间耦合干扰,提高了测量精度。实验结果表明,该传感器室内无线传输距离达到8 m,传输速率满足中低频力信号测量,Ⅰ类与Ⅱ类误差均满足在高精度要求场合的使用。