| 扭矩傳感器在機器人關節上的應用 |
| 來源： 點擊數：5153次 更新時間：2022/2/4 11:25:55 |
| 扭矩傳感器在機器人關節上的應用 為確保協作機器人的安全性，需要在協作機器人關節處安裝扭矩傳感器，由于協作機器人自身關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模型、數學模型，使用響應面法對彈性體結構參數進行優化，根據 Ｂｏｘ⁃Ｂｅｈｎｋｅｎ 法進行變量設計，然后利用 ＵＧ／ Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 進行有限元仿真驗證。 結果表明，優化后的傳感器具有良好的抗過載能力、線性度及靈敏度。 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． 協作機器人作為新興產業代表 ［１］ ，被視為實現中國制造２０２５ 的關鍵 ［２－３］ 。 協作機器人由于與人協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節受力情況，從而確保足夠的安全性。 而如何獲得最優的傳感器彈性體結構一直是設計難題 ［５］ 。 潘新安等通過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行了優化設計，加工性好但增加了關節軸向尺寸 ［１０］ 。 本文在詳細分析傳統關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，降低了關節軸向尺寸，提高了關節負載／ 自重比。 同時，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 為新一代協作機器人的關節內部結構，即本文傳感器設計的應用對象。 由于關節外殼、諧波減速器已確定， 故 傳 感 器 最 大 外 徑 應 小 于 關 節 上 殼 內 徑（６３．５ ｍｍ），內輪緣上螺栓圓中心線直徑為 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倍的抗過載能力，即傳感器能承受７５ Ｎ·ｍ 的瞬時載荷，載荷釋放后，傳感器仍可正常工作。 圖 １ 協作機器人關節結構圖 １．２ 傳感器整體設計 為最大程度減小關節尺寸，降低關節整體質量，采用一體化設計理念，將關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。
扭矩傳感器的內輪緣與諧波減速器的輸出端柔輪通過諧波壓圈螺栓連接，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，便于對關節進行位置控制；同時，采用交叉滾子軸承進行支撐，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；最后通過輸出轉接件將運動傳遞至下一關節。 １．３ 傳感器彈性體設計 考慮到機械臂關節負載較小，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
２ 傳感器力學模型分析 建立傳感器彈性體力學模型，分析彈性體所受力與應變梁變形之間的關系，方便進一步優化傳感器結構。 由于傳感器過渡軸段部分幾乎不受力，所以受力分析時可忽略。 傳感器彈性體的變形主要是應變梁的彎曲變形，加載環與固定環的變形可近似忽略，彈性體可簡化為如圖 ５ 所示。 圖 ５ 中，固定環最大外徑為 Ｒ ２ ，加載環外徑為 Ｒ １ ，應變梁長度為 ｌ，寬度為 ｈ，厚度為 ｂ。 圖 ５ 彈性體簡化模型
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