扭矩傳感器在協(xié)作機器人中應用的研究分析

扭矩傳感器在協(xié)作機器人中應用的研究

Summary：協(xié)作機器人扭矩傳感器的作用是保證機器人與人在同一空間內(nèi)共同工作時的安全。扭矩傳感器可以將機械結構承受的扭矩最終通過惠斯通全橋電路、濾波器、放大器等調(diào)節(jié)電路的方式輸出為電壓信號，從而得到對應線性的扭矩值。作為保證協(xié)作機器人安全性的重要部件，扭矩傳感器是協(xié)作機器人的重要組成部分之一。本文將講講扭矩傳感器的原理和應用。Keys：扭矩傳感器；協(xié)作機器人；應用1引言機器人在汽車廠、物流、3C行業(yè)的不斷普及，使得工業(yè)機器人的精度優(yōu)勢和效率優(yōu)勢不斷被大眾所認識和接受。隨著機器人應用市場越來越大，公司對效率和盈利能力的追求不斷提高，協(xié)作機器人變得越來越普遍。協(xié)作機器人可以滿足人與機器人在同一個空間內(nèi)無外部防護裝置的情況下共同工作，所以對安全性提出了更高的要求。為了達到更高級別的安全性，通常機器人內(nèi)會使用扭矩傳感器來監(jiān)測協(xié)作機器人上各關節(jié)的機械扭矩，從而判斷機器人與外界是否發(fā)生了碰撞，進而實現(xiàn)人機協(xié)作的安全保護行為。本文將從協(xié)作機器人扭矩傳感器的原理出發(fā)，結合作者工作中的應用實例中來研究扭矩傳感器的特性及其故障診斷方案。2扭矩傳感器的工作原理六軸協(xié)作機器人上通常使用壓阻式扭矩傳感器。該類型傳感器具有精度高、抗干擾強、結構緊湊的特點。壓阻式扭矩傳感器通過自身機械結構承受扭矩。由于傳感器本身設計時的結構考慮了所受扭矩的對稱性，通常應變片的位置會放置在輪輻中心。同時為了協(xié)作機器人能夠滿足ISO13849第3類的機械安全要求，壓阻式扭矩傳感器會使用2組惠斯通全橋電路連接傳感器，每組采用4片應變片。當檢測應變信號時，應變片輸出信號的變化會改變電橋電阻器的阻值，使得電橋兩端的電壓法生變化。但是這種電壓的變化是極小的，所以通常傳感器電路板上面會通過濾波器、放大器等內(nèi)置調(diào)理電路來抵抗外部干擾，最終將電壓信號采集出來。此外，扭矩傳感器由于在生產(chǎn)過程中會有應力釋放和各種噪聲的干擾，出廠前必須要進行靜態(tài)標定。通過靜態(tài)標定，可以最終得到扭矩傳感器力矩和電壓的線性關系曲線。3扭矩傳感器的安裝及注意事項3.1扭矩傳感器安裝的結構機器人的動力源自電機，電機通過諧波減速機將輸出轉速降低的同時，增加輸出扭矩。扭矩傳感器則通常用銷和螺栓與諧波減速機的輸出端連接在一起，并將扭矩傳遞給機械臂。同樣的，機械臂一旦與外部出現(xiàn)碰撞，外部沖擊對機器人產(chǎn)生的沖擊也會作用到扭矩傳感器上并反饋給控制系統(tǒng)。圖1典型協(xié)作機器人關節(jié)結構3.2扭矩傳感器在安裝時的注意事項為了確保協(xié)作機器人的位置精度，扭矩傳感器通常會由銷和螺栓與諧波減速機連接。這就使得裝配人員在安裝扭矩傳感器的時候需要使用尼龍錘敲擊銷，并使用扭矩扳手擰緊螺栓。在這個裝配的過程中，下面兩種失效情況是需要注意的。敲擊銷來連接扭矩傳感器和諧波減速機時，兩個零件都會收到敲擊帶來的沖擊力。這種沖擊如果操作不當會完全作用在扭矩傳感器的電路板上。連接應變片和電路板是使用的比頭發(fā)絲還要細的導線。雖然這些導線外部由環(huán)氧膠保護起來，但外力依然極易導致其發(fā)生變形甚至破壞。這就會使其輸出的扭矩值不穩(wěn)定，甚至無法輸出信號。為了驗證外力作用在環(huán)氧膠表面會對扭矩傳感器造成的影響，我們將外力直接施加在靠近電路板邊緣的環(huán)氧膠表面，通過肉眼的觀察就可以看到內(nèi)部導線產(chǎn)生了明顯變形。最終導線內(nèi)張力超過連接強度導致了導線斷裂。所以，裝配時一定要使用導向裝置對銷子進行敲擊，并且支撐面設定在扭矩傳感器的機加工件上，避免電路板和應變片區(qū)域收到極大沖擊。這樣才能保證扭矩傳感器在裝配后的正常工作。在使用銷和螺栓固定扭矩傳感器時，安裝的力和扭矩會使傳感器的機加工件產(chǎn)生彈性形變，這將導致扭矩傳感器的零位產(chǎn)生偏移。由于安裝過程中施加的外力是不可避免的，而且這種外力不會自己消失，所以就需要在裝配完成后對扭矩傳感器重新進行零位標定。為了扭矩傳感器在裝配后的正常工作，需要在選擇扭矩傳感器的量程時考慮安裝過程中導致的零點偏移量，避免零點偏移后量程范圍不滿足監(jiān)測范圍。同時也建議在裝配過程中對零點偏移進行監(jiān)測，這樣可以及時觀察和判斷偏移量是否可以通過后續(xù)的標定進行有效校正。4扭矩傳感器工作時的注意事項安裝到協(xié)作機器人上的扭矩傳感器，在機器人上面完成標定后會實時監(jiān)測機器人各關節(jié)的扭矩情況。隨著機器人的運行，安裝時產(chǎn)生的一部分內(nèi)應力會得到釋放，這時扭矩傳感器的零位會進一步發(fā)生偏移。但是這種零位偏移的現(xiàn)象與上文提到的導線變形導致的零位偏移很類似，不同的是這種零位偏移可以通過再一次標定校準恢復扭矩傳感器的正常功能，而導線變形導致的零位偏移則會在重新校準后的短時間內(nèi)再次發(fā)生，并且并不會因為一兩次的校準而恢復扭矩傳感器的功能?；诖耍挚紤]到協(xié)作機器人的安全性，我提出以下建議：協(xié)作機器人由于其安全性的要求，通常會配備雙通道的扭矩傳感器。上文中提到導線故障導致的零位偏移，通常只發(fā)生在某一處的惠斯通全橋電路上。基于以上幾點，可以在控制系統(tǒng)中增加兩通道交叉檢查的功能。這樣既可以輸出更準確的扭矩數(shù)值，也可以及時發(fā)現(xiàn)零位偏移的失效，避免因扭矩輸出值不準確導致的安全事故。需要注意的是，雙通道的交叉檢查功能需要設定一個合理的公差值，否則會經(jīng)常出發(fā)到閾值而導致停機。合理的閾值需要通過機器人的一系列實驗數(shù)據(jù)得出。對于因裝配時內(nèi)應力釋放導致的零位偏移，通常在協(xié)作機器人運行一段時間后會不再進一步偏移。所以為了在客戶現(xiàn)場不再出現(xiàn)零位偏移或者扭矩傳感器兩通道交叉檢查數(shù)值超過閾值的情況，建議所有協(xié)作機器人在出貨前重新進行一次零位標定。為了滿足ISO13849中對機械安全的要求，協(xié)作機器人的相關安全參數(shù)均在軟件層面實現(xiàn)參量化。與扭矩傳感器相關的參量化數(shù)據(jù)包括每次零位標定時的數(shù)據(jù)，以及與上次校準標定的對比。為了確保扭矩傳感器的功能，通常也需要對傳感器每次標定數(shù)據(jù)的差值設定一個閾值。如果兩次標定數(shù)據(jù)的差值大于這個閾值，那么則需要檢查是否扭矩傳感器存在故障。5結語我們工業(yè)機器人行業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)出一批批有創(chuàng)新、有競爭力的優(yōu)秀機器人研發(fā)團隊。與此同時，也應該注意到在協(xié)作機器人領域，我國的企業(yè)依然有較大潛力需要挖掘。扭矩傳感器作為協(xié)作機器人中的關鍵零部件，在設計階段就需要全面考慮其特點，在機械結構、控制系統(tǒng)中增加保護和安全監(jiān)測。作者基于工作中的實踐經(jīng)驗，用