何洪軍，劉福強(qiáng)，馬傳寶，袁德宇，張東寧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

基于伺服關(guān)節(jié)用三維壓力傳感器的設(shè)計(jì)研究

何洪軍，劉福強(qiáng)，馬傳寶，袁德宇，張東寧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

機(jī)器人智能化最重要的是關(guān)節(jié)智能化，關(guān)節(jié)智能化取決于伺服關(guān)節(jié)用三維傳感器的靈敏度和精度。針對(duì)伺服關(guān)節(jié)用三維力傳感器，開(kāi)展了基于伺服關(guān)節(jié)用三維壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析、三維壓力傳感器的輸入輸出特性曲線及傳感器的標(biāo)定研究，通過(guò)分析可知所設(shè)計(jì)的三維傳感器耦合效應(yīng)小，可以用于伺服關(guān)節(jié)的力/力矩測(cè)量和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)機(jī)器人智能化關(guān)節(jié)技術(shù)的發(fā)展提供了一定的參考。

伺服關(guān)節(jié)；智能化；結(jié)構(gòu)；傳感器；力

0 引 言

機(jī)器人智能化的發(fā)展主要是關(guān)節(jié)智能化的發(fā)展，而關(guān)節(jié)模塊的構(gòu)成主要是伺服電機(jī)、控制器、力傳感器和減速器等部件組成[1-3]。但這些部件中可使機(jī)器人具有感知的是伺服關(guān)節(jié)用傳感器。目前，無(wú)論是大型搬運(yùn)機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)還是小型行走機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)的單向壓力測(cè)量、旋轉(zhuǎn)壓力測(cè)量、雙向壓力測(cè)量還是三向壓力測(cè)量絕大都是應(yīng)變式壓力傳感器完成的[4]。關(guān)于測(cè)量伺服關(guān)節(jié)的單向和雙向壓力的傳感器目前很多，但是對(duì)于測(cè)試三維力的傳感器很少?，F(xiàn)在已有的三維壓力傳感器由于沒(méi)有在結(jié)構(gòu)上考慮解耦，因而采集出的信號(hào)極為不準(zhǔn)確[5]。因此，現(xiàn)有的三維壓力傳感器很少在工程上和實(shí)驗(yàn)上應(yīng)用。伺服關(guān)節(jié)在測(cè)試三維力時(shí)不僅要考慮將水平面方向的力測(cè)試準(zhǔn)確且要保證軸間作用力的耦合效應(yīng)小，同時(shí)還要保證在測(cè)試垂直于水平方向的力時(shí)不受水平力的干擾[6]，因而對(duì)于傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，本文開(kāi)展了基于機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)用三維壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析并對(duì)傳感器的輸出特性和標(biāo)定做了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的三維傳感器耦合效應(yīng)小，可以用于機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)的力/力矩測(cè)量和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 傳感器工作原理

針對(duì)機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)力/力矩信息檢測(cè)方法和原理很多，如利用壓電效應(yīng)、磁電效應(yīng)及電容效應(yīng)等方式，而本文所設(shè)計(jì)的三維傳感器采用的是方法是應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)法[7]。

采用應(yīng)變片電測(cè)法可以獲得力矩和力的信息，通常是要經(jīng)過(guò)4個(gè)階段結(jié)束傳感器受到的力、核算力矩的相當(dāng)力和力矩信號(hào)的傳輸。

(1) 外力——彈性變形

如果外力作用于傳感器時(shí)，置于內(nèi)部的彈性體將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，所受到的外力同彈性體上的變形有一定的比例關(guān)系。如果置于傳感器內(nèi)部的應(yīng)變片尺寸結(jié)構(gòu)確定，則傳感器的變形量?jī)H與所受外力有關(guān)，則可表示：

(1)

式中：ε為彈性體隨外力而發(fā)生的變形量；F為所受外力。

(2) 彈性變形——彈性體電阻值的改變量

由于置于傳感器內(nèi)部的彈性體產(chǎn)生變形，則彈性體表面處粘貼的應(yīng)變片同樣會(huì)產(chǎn)生一樣的變形，可能由于粘接劑的因素，兩者產(chǎn)生的變形會(huì)有很小的差別。因?yàn)橹糜趶椥泽w上的應(yīng)變片產(chǎn)生的變形與產(chǎn)生的電阻變化量成比例關(guān)系，所以其電阻會(huì)有一定的變化量。兩者之間的關(guān)系叫靈敏度系數(shù)：

(2)

式中：Gf為靈敏度系數(shù)；R為應(yīng)變片原始電阻值；L為電阻絲原長(zhǎng)；ΔL為電阻絲的長(zhǎng)度；ΔR為電阻變化量。則對(duì)應(yīng)的電阻變化量可寫為：

(3)

在工程測(cè)試中，傳感器的靈敏度與線性度必須都要考慮，需確保所設(shè)計(jì)的彈性體在比例極限下進(jìn)行作業(yè)。通常規(guī)定1 000微應(yīng)變是彈性體變化的極限，為了保證得到的應(yīng)變片電阻變化量不大于0.002 R，在此靈敏度假定是2，得到的電阻值為300Ω，則產(chǎn)生的電阻量最大為0.7Ω，所以還要進(jìn)行處理和放大這么微小的變化值。

(3) 阻值變化量——輸出電壓

一般傳感器內(nèi)置的應(yīng)變體電阻變化量很小，因而測(cè)量其輸出的信號(hào)同樣微小，所以要采用相關(guān)電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而在對(duì)所得信息采取下一步處理。關(guān)于應(yīng)變電測(cè)技術(shù)法通常有惠更斯電橋和電位計(jì)電路。惠更斯電橋比較普遍采用，電位計(jì)電路測(cè)試法只在測(cè)量動(dòng)態(tài)量等特殊情況時(shí)使用。

(4) 輸出電壓——輸出力矩/力信息

為了測(cè)量三維力矩及三維力，通常在傳感器的彈性體上布置多對(duì)應(yīng)變片，且布置的應(yīng)變片對(duì)數(shù)多于維數(shù)，通?？捎镁仃噥?lái)表示傳感器各維應(yīng)變量和所受力的關(guān)系：

S=TF

(4)

當(dāng)需用傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了得到測(cè)試數(shù)據(jù)，可以采用所測(cè)試到的多組應(yīng)變組的輸出值，再通過(guò)相應(yīng)的解耦，進(jìn)而獲得非耦合檢測(cè)矩陣，則傳感器測(cè)到的力矩/力信息可表示：

(5)

2 三維傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)用三維傳感器的彈性體采用單層E型膜片結(jié)構(gòu)，上下兩端均采用4個(gè)M3的螺紋安裝，彈性體采用LY12加工，其彈性體結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文所設(shè)計(jì)的三維力傳感器最大量程為-50～50kg，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)傳感器各維滿足最大應(yīng)力要求，所設(shè)計(jì)的三維傳感器根據(jù)不同軸向的受力，本文給出了相應(yīng)的仿真分析結(jié)果。

圖1 三維傳感器的結(jié)構(gòu)圖

(1) 對(duì)傳感器施加FY=490N，力的施加方式和傳感器變形如圖2所示。

圖2 施加FY=490N負(fù)載總體變形示意圖

(2) 對(duì)傳感器施加FZ=490N，力的施加方式和傳感器變形如圖3所示。

圖3 施加FZ=490N負(fù)載總體變形示意圖

(3) 對(duì)傳感器施加FX=490N，力的施加方式和傳感器變形如圖4所示。

圖4 施加FX=490N負(fù)載總體變形示意圖

通過(guò)上面3組各向最大受載變形可以得知，各維最大應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)要求，可以適用于測(cè)試伺服關(guān)節(jié)受力為490N范圍內(nèi)的應(yīng)力測(cè)量。

3 傳感器特性分析

3.1 輸入輸出特性分析

為了測(cè)試所設(shè)計(jì)三維傳感器的精度和靈敏度，本文開(kāi)展了傳感器的輸入輸出特性、傳感器標(biāo)定特性研究。根據(jù)搭建的輸入輸出特性測(cè)試平臺(tái)，分別測(cè)量了10組不同壓力下所得的電壓信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行擬合，所得到的輸入輸出特性曲線如圖5～圖7所示。

圖5 擬合直線FX向輸入輸出特性曲線圖6 擬合直線FY向輸入輸出特性曲線

圖7 擬合直線FZ向輸入輸出特性曲線

從3個(gè)方向的輸如輸出特性測(cè)試點(diǎn)及擬合曲線可以看出，所得設(shè)計(jì)的三維傳感器的線性度很好，可用于測(cè)量量程范圍內(nèi)的壓力值，其非線性影響幾乎沒(méi)有，準(zhǔn)確度和精度可以得到相應(yīng)的保障。

3.2 傳感器標(biāo)定

傳感器使用前往往需要通過(guò)標(biāo)定才能進(jìn)行測(cè)量和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，標(biāo)定的目的是將傳感器所測(cè)力范圍與一定范圍的電壓變化相對(duì)應(yīng)，本文通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的伺服關(guān)節(jié)用三維壓力傳感器在一定的時(shí)間段加載相應(yīng)的力，得到相應(yīng)的時(shí)間力曲線，完成對(duì)伺服關(guān)節(jié)用三維傳感器的標(biāo)定。通過(guò)3組標(biāo)定曲線(如圖8～圖10)可以得知，標(biāo)定數(shù)據(jù)成規(guī)律性出現(xiàn)，具有很好的重復(fù)性，說(shuō)明三維傳感器具有很好的重復(fù)性能。

圖8 X軸標(biāo)定曲線圖圖9 Y軸標(biāo)定曲線圖

圖10 Z軸標(biāo)定曲線圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)用三維力傳感器，不僅設(shè)計(jì)了考慮將水平面方向的力測(cè)試準(zhǔn)確且要保證軸間作用力的耦合效應(yīng)小，同時(shí)還要保證在測(cè)試垂直于水平方向的力時(shí)不受水平力的干擾的三維傳感器的結(jié)構(gòu)。本文開(kāi)展了基于機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)用三維壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析并對(duì)傳感器的輸出特性和標(biāo)定做了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)應(yīng)力仿真、三維壓力傳感器的輸入輸出特性曲線及傳感器的標(biāo)定研究可以得知，本文所設(shè)計(jì)的三維傳感器耦合效應(yīng)小，可以用于機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)的力/力矩測(cè)量和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)智能化機(jī)器人伺服關(guān)節(jié)力采樣的研究提供了一定的技術(shù)參考。

[1] 夏勇.壓阻式壓力傳感器溫度補(bǔ)償研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[2] 孫帥濤.基于BP網(wǎng)絡(luò)的壓力傳感器的智能化研究與設(shè)計(jì)[D].西安:西安理工大學(xué)，2010.

[3] 孫以材，劉玉嶺，孟慶浩.壓力傳感器的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000:369-381.

[4] 周敏浩，錢政.智能傳感技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008:14-17.

[5]MATROUFD,VERDETF,ROUVIERM,etal.ModelingnuisancevariablewithfactoranalysisforGMM-basedaudiopatternclassification[J].ComputerSpeechandlanguage,2011,25(3):481-498.

[6 ]ABOYEVRH.Fuzzywaveletneuralnetworkforpredictionofelectricityconsumption[J].ArtificialIntelligenceforEngineeringDesign,Analysisandmanufacturing,2009,23(2):109-118.

[7] 梁橋康.特殊應(yīng)用的多維力/力矩傳感器研究與應(yīng)用[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

ResearchandDesignofThree-dimensionalPressureSensorBasedontheServoJoint

HE Hong-jun,LIU Fu-qiang,MA Chuan-bao,YUAN De-yu,ZHANG Dong-ning

(No.21ResearchInstituteofCETC,Shanghai200233,China)

Thekeytorobotintelligenceisjointintelligence.Intelligentjointdependsonsensitivityandaccuracyofthethree-dimensionalpressuresensor.Theresearchdiscussedthestructure,stresssimulation,inputandoutputcharacteristicsandcalibrationofthree-dimensionalpressuresensorbasedontheservojoint.Theconclusioncanbeobtainedthatthree-dimensionalpressuresensordesignedhasasmallcouplingeffectanditcanbeappliedtomeasureforce,torqueandthecorrespondingexperiments.Thispaperprovidesareferencefordevelopmentofintelligentjointtechnology.

servojoint;intelligent;structure;sensor;force

2016-07-15

TM

A

1004-7018(2017)01-0041-03

何洪軍， 博士研究生，主要從事機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、伺服關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)等。