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扭矩傳感器在機(jī)器人關(guān)節(jié)上的應(yīng)用
來源：　點(diǎn)擊數(shù)：2254次　更新時間：2022/2/4 11:25:55
   扭矩傳感器在機(jī)器人關(guān)節(jié)上的應(yīng)用
為確保協(xié)作機(jī)器人的安全性，需要在協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)處安裝扭矩傳感器，由于協(xié)作機(jī)器人自身關(guān)節(jié)尺寸有限且負(fù)載比較小，需要一種結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高的扭矩傳感器。 為解決這一難題，在分析傳統(tǒng)輪輻式扭矩傳感器的基礎(chǔ)上，提出了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)輸出軸和傳感器一體化的結(jié)構(gòu)，對傳感器彈性體建立力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型，使用響應(yīng)面法對彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù) Ｂｏｘ⁃Ｂｅｈｎｋｅｎ 法進(jìn)行變量設(shè)計，然后利用 ＵＧ／ Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 進(jìn)行有限元仿真驗證。 結(jié)果表明，優(yōu)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(xié)作機(jī)器人作為新興產(chǎn)業(yè)代表 ［１］ ，被視為實現(xiàn)中國制造２０２５ 的關(guān)鍵 ［２－３］ 。 協(xié)作機(jī)器人由于與人協(xié)同工作更強(qiáng)調(diào)安全性 ［４］ ，高靈敏的扭矩傳感器能夠準(zhǔn)確測量機(jī)器人關(guān)節(jié)受力情況，從而確保足夠的安全性。 而如何獲得最優(yōu)的傳感器彈性體結(jié)構(gòu)一直是設(shè)計難題 ［５］ 。 潘新安等通過將應(yīng)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(xiàn)［７］設(shè)計了“彈簧離合器”式傳感器，能減少關(guān)節(jié)的碰撞力；文獻(xiàn)［８］設(shè)計了一款異形體傳感器，靈敏度高但彈性體結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以加工；王羅羅等設(shè)計一款帶有保護(hù)梁的扭矩傳感器，測量應(yīng)變梁的剪切應(yīng)變，應(yīng)變較小 ［９］ ；蔣聰?shù)葘嗇検浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，加工性好但增加了關(guān)節(jié)軸向尺寸 ［１０］ 。
本文在詳細(xì)分析傳統(tǒng)關(guān)節(jié)扭矩傳感器測量原理的基礎(chǔ)上，基于一體化設(shè)計理念，提出了扭矩傳感器與輸出軸一體化結(jié)構(gòu)，降低了關(guān)節(jié)軸向尺寸，提高了關(guān)節(jié)負(fù)載／ 自重比。 同時，借助有限元仿真及響應(yīng)面法，得到了一種扭矩傳感器彈性體的優(yōu)化方法。
１　扭矩傳感器需求分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計
１．１　傳感器需求分析
圖１ 為新一代協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即本文傳感器設(shè)計的應(yīng)用對象。 由于關(guān)節(jié)外殼、諧波減速器已確定， 故 傳 感 器 最 大 外 徑 應(yīng) 小 于 關(guān) 節(jié) 上 殼 內(nèi) 徑（６３．５ ｍｍ），內(nèi)輪緣上螺栓圓中心線直徑為 ２７ ｍｍ，最大高度１２ ｍｍ。 根據(jù)機(jī)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(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖
１．２　傳感器整體設(shè)計
為最大程度減小關(guān)節(jié)尺寸，降低關(guān)節(jié)整體質(zhì)量，采用一體化設(shè)計理念，將關(guān)節(jié)輸出軸與傳感器設(shè)計為一體，整體安裝示意圖如圖 ２ 所示。

圖 ２　傳感器安裝示意圖
扭矩傳感器的內(nèi)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(zhuǎn)子連接，便于對關(guān)節(jié)進(jìn)行位置控制；同時，采用交叉滾子軸承進(jìn)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(zhǔn)確性與可靠性；最后通過輸出轉(zhuǎn)接件將運(yùn)動傳遞至下一關(guān)節(jié)。
１．３　傳感器彈性體設(shè)計
考慮到機(jī)械臂關(guān)節(jié)負(fù)載較小，內(nèi)部空間有限，故采用 ４ 條輪輻的彈性體結(jié)構(gòu)，一方面便于后期加工和應(yīng)變片粘貼，另一方面利用其剩余空間便于后期調(diào)理電路板的安裝。 軸承基座和扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖３、圖４ 所示。
圖 ４　彈性體示意圖

傳感器彈性體通常要求材料屈服極限高、耐腐蝕、各向同性及加工性好，在對比常用材料后，選擇鋁合金 ７０７５－Ｔ６，其材料特性如表 １ 所示。
２　傳感器力學(xué)模型分析
建立傳感器彈性體力學(xué)模型，分析彈性體所受力與應(yīng)變梁變形之間的關(guān)系，方便進(jìn)一步優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)。 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(yīng)變梁的彎曲變形，加載環(huán)與固定環(huán)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(huán)最大外徑為 Ｒ ２ ，加載環(huán)外徑為 Ｒ １ ，應(yīng)變梁長度為 ｌ，寬度為 ｈ，厚度為 ｂ。
圖 ５　彈性體簡化模型

傳感器只受到扭矩 Ｍ 的作用，取加載環(huán)為受力研究對象。 加載環(huán)受到兩部分作用力：扭矩 Ｍ 和應(yīng)變梁的反作用力；由彈性體對稱結(jié)構(gòu)可知 ４ 條應(yīng)變梁的反作用力大小相同。 取任一條應(yīng)變梁與加載環(huán)接觸點(diǎn)，建立力學(xué)模型，如圖 ６ 所示。

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