一种机器人关节扭矩传感器的设计与研究.pdf

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1、机器人技术现代制造工程(ModernManufacturingEngineering)2017年第5期一种机器人关节扭矩传感器的设计与研究盖海松1’2⋯，徐方1’3，贾凯1’3，边弘哗3(1中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳l10016；2中国科学院大学，北京100039；3沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳110168)摘要：设计了一种轮辐式机器人关节扭矩传感器，主要用于实时监测机器人各个关节处的扭矩，进而利用力矩传感器实现机器人的柔性控制和人机协作。为了研究机器人的扭矩传感器，首先进行了力学分析，确定了应变片的粘贴位置；然后对应变片的变形进行了分析；进而运用有

2、限元分析软件对扭矩传感器进行了材料的选择和本体的优化；设计了信号处理电路；最后利用标定装置对传感器进行了静态标定，通过分析获得传感器的灵敏度、线性度和迟滞等性能指标。关键词：模块化关节；机器人柔性；应力应变；惠斯通电桥中图分类号：TH-39文献标志码：A文章编号：1671-3133(2017)05--0033------05DoI：10．16731／i．cnki．167l一3133．2017．05．007DesignandresearchofarobotjointtorquesensorGaiHaison91t2⋯，XuFan91”，JiaKail”，BianHongye3(1State

3、KeyLaboratoryofRobotics，ShenyangInstituteofAutomation，ChineseAcademyofSciences，Shenyang110016，China；2UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100039，China；3ShenyangSiaSunRobotAutomationCo．Ltd．，Shenyang110168，China)Abstract：Awheeltyperobotjointtorquesensorisdesignedanditismainlyusedforreal—time

4、detectionofrobotjointtorque，ro—botflexiblecontrolandhuman·computercollaboration．Inordertostudythetorquesensorofrobot．themechanicalanalysisof山erobotiscarriedoutfirstly，andthepositionofthestrainisdetermined．Thenthedeformationofthestrainisanalyzed，andthechoiceofthematerialandtheoptimizationofthemate

5、rialareanalyzedbyusingthefiniteelementanalysissoftware．Atthesalnetime，thesensorsignalprocessingcircuitwasdesigned．Finally，throughthecalibrationofsensorstaticcalibrationdevice，gotthesensitivity，linearity，hysteresiserrorandotherperformanceindicators．Keywords：modularjoint；robotflexibility；stress·str

6、ain；Wheatstonebridge0引言随着科学技术的不断发展，机器人对外界的感知能力在不断提高，新型的工业机器人不再是单独的待在围栏中做一些重复单一的搬运、焊接等任务，他们需要与人类进行协同工作，需要像人类的手臂一样更加灵活自主地替代以人工作业为主的装配分拣及打包工作¨J。而在这其中关节扭矩传感器发挥着至关重要的作用，它能够实时监测机器人各个关节处的扭矩，然后利用扭矩传感器实时反馈回来的数据与机器人动力学模型，可以实时监测操作臂与机器人是否发生了碰撞旧J，从而采取相应的保护措施，实现机器人的柔性以及机器人的人机协作。本文研究的关节扭矩传感器针对新型模块化机器人关节，该关节采用轮辐

7、式机械结构，实现了机器人关节模块与连杆模块的快速连接，并且对其进行了有效的力学分析，实现了弹性体与信号处理电路一体化设计，结构设计简单轻质。最后通过对传感器的静态标定，验证了该传感器能够很好地满足应用要求。1扭矩传感器的工作原理1．1受力分析及粘贴位置分析本文中，机器人关节输出扭矩范围为0～30N·m，图1所示为本文所设计的轮辐式扭矩传感器。该传感器由4对应变片、轮辐、内轮缘和外轮缘组成，轮辐对称排列。该轮辐式扭矩传感器本体的二维平