扭矩傳感器在協(xié)作機(jī)器人中應(yīng)用的研究分析

扭矩傳感器在協(xié)作機(jī)器人中應(yīng)用的研究

Summary：協(xié)作機(jī)器人扭矩傳感器的作用是保證機(jī)器人與人在同一空間內(nèi)共同工作時(shí)的安全。扭矩傳感器可以將機(jī)械結(jié)構(gòu)承受的扭矩最終通過(guò)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(hào)，從而得到對(duì)應(yīng)線(xiàn)性的扭矩值。作為保證協(xié)作機(jī)器人安全性的重要部件，扭矩傳感器是協(xié)作機(jī)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(yīng)用。Keys：扭矩傳感器；協(xié)作機(jī)器人；應(yīng)用1引言機(jī)器人在汽車(chē)廠(chǎng)、物流、3C行業(yè)的不斷普及，使得工業(yè)機(jī)器人的精度優(yōu)勢(shì)和效率優(yōu)勢(shì)不斷被大眾所認(rèn)識(shí)和接受。隨著機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)越來(lái)越大，公司對(duì)效率和盈利能力的追求不斷提高，協(xié)作機(jī)器人變得越來(lái)越普遍。協(xié)作機(jī)器人可以滿(mǎn)足人與機(jī)器人在同一個(gè)空間內(nèi)無(wú)外部防護(hù)裝置的情況下共同工作，所以對(duì)安全性提出了更高的要求。為了達(dá)到更高級(jí)別的安全性，通常機(jī)器人內(nèi)會(huì)使用扭矩傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)協(xié)作機(jī)器人上各關(guān)節(jié)的機(jī)械扭矩，從而判斷機(jī)器人與外界是否發(fā)生了碰撞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的安全保護(hù)行為。本文將從協(xié)作機(jī)器人扭矩傳感器的原理出發(fā)，結(jié)合作者工作中的應(yīng)用實(shí)例中來(lái)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(jī)器人上通常使用壓阻式扭矩傳感器。該類(lèi)型傳感器具有精度高、抗干擾強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。壓阻式扭矩傳感器通過(guò)自身機(jī)械結(jié)構(gòu)承受扭矩。由于傳感器本身設(shè)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)考慮了所受扭矩的對(duì)稱(chēng)性，通常應(yīng)變片的位置會(huì)放置在輪輻中心。同時(shí)為了協(xié)作機(jī)器人能夠滿(mǎn)足ISO13849第3類(lèi)的機(jī)械安全要求，壓阻式扭矩傳感器會(huì)使用2組惠斯通全橋電路連接傳感器，每組采用4片應(yīng)變片。當(dāng)檢測(cè)應(yīng)變信號(hào)時(shí)，應(yīng)變片輸出信號(hào)的變化會(huì)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(huì)通過(guò)濾波器、放大器等內(nèi)置調(diào)理電路來(lái)抵抗外部干擾，最終將電壓信號(hào)采集出來(lái)。此外，扭矩傳感器由于在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有應(yīng)力釋放和各種噪聲的干擾，出廠(chǎng)前必須要進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定，可以最終得到扭矩傳感器力矩和電壓的線(xiàn)性關(guān)系曲線(xiàn)。3扭矩傳感器的安裝及注意事項(xiàng)3.1扭矩傳感器安裝的結(jié)構(gòu)機(jī)器人的動(dòng)力源自電機(jī)，電機(jī)通過(guò)諧波減速機(jī)將輸出轉(zhuǎn)速降低的同時(shí)，增加輸出扭矩。扭矩傳感器則通常用銷(xiāo)和螺栓與諧波減速機(jī)的輸出端連接在一起，并將扭矩傳遞給機(jī)械臂。同樣的，機(jī)械臂一旦與外部出現(xiàn)碰撞，外部沖擊對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生的沖擊也會(huì)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(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)3.2扭矩傳感器在安裝時(shí)的注意事項(xiàng)為了確保協(xié)作機(jī)器人的位置精度，扭矩傳感器通常會(huì)由銷(xiāo)和螺栓與諧波減速機(jī)連接。這就使得裝配人員在安裝扭矩傳感器的時(shí)候需要使用尼龍錘敲擊銷(xiāo)，并使用扭矩扳手?jǐn)Q緊螺栓。在這個(gè)裝配的過(guò)程中，下面兩種失效情況是需要注意的。敲擊銷(xiāo)來(lái)連接扭矩傳感器和諧波減速機(jī)時(shí)，兩個(gè)零件都會(huì)收到敲擊帶來(lái)的沖擊力。這種沖擊如果操作不當(dāng)會(huì)完全作用在扭矩傳感器的電路板上。連接應(yīng)變片和電路板是使用的比頭發(fā)絲還要細(xì)的導(dǎo)線(xiàn)。雖然這些導(dǎo)線(xiàn)外部由環(huán)氧膠保護(hù)起來(lái)，但外力依然極易導(dǎo)致其發(fā)生變形甚至破壞。這就會(huì)使其輸出的扭矩值不穩(wěn)定，甚至無(wú)法輸出信號(hào)。為了驗(yàn)證外力作用在環(huán)氧膠表面會(huì)對(duì)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(guò)肉眼的觀察就可以看到內(nèi)部導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生了明顯變形。最終導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)張力超過(guò)連接強(qiáng)度導(dǎo)致了導(dǎo)線(xiàn)斷裂。所以，裝配時(shí)一定要使用導(dǎo)向裝置對(duì)銷(xiāo)子進(jìn)行敲擊，并且支撐面設(shè)定在扭矩傳感器的機(jī)加工件上，避免電路板和應(yīng)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(xiāo)和螺栓固定扭矩傳感器時(shí)，安裝的力和扭矩會(huì)使傳感器的機(jī)加工件產(chǎn)生彈性形變，這將導(dǎo)致扭矩傳感器的零位產(chǎn)生偏移。由于安裝過(guò)程中施加的外力是不可避免的，而且這種外力不會(huì)自己消失，所以就需要在裝配完成后對(duì)扭矩傳感器重新進(jìn)行零位標(biāo)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(shí)考慮安裝過(guò)程中導(dǎo)致的零點(diǎn)偏移量，避免零點(diǎn)偏移后量程范圍不滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)范圍。同時(shí)也建議在裝配過(guò)程中對(duì)零點(diǎn)偏移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣可以及時(shí)觀察和判斷偏移量是否可以通過(guò)后續(xù)的標(biāo)定進(jìn)行有效校正。4扭矩傳感器工作時(shí)的注意事項(xiàng)安裝到協(xié)作機(jī)器人上的扭矩傳感器，在機(jī)器人上面完成標(biāo)定后會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的扭矩情況。隨著機(jī)器人的運(yùn)行，安裝時(shí)產(chǎn)生的一部分內(nèi)應(yīng)力會(huì)得到釋放，這時(shí)扭矩傳感器的零位會(huì)進(jìn)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(dǎo)線(xiàn)變形導(dǎo)致的零位偏移很類(lèi)似，不同的是這種零位偏移可以通過(guò)再一次標(biāo)定校準(zhǔn)恢復(fù)扭矩傳感器的正常功能，而導(dǎo)線(xiàn)變形導(dǎo)致的零位偏移則會(huì)在重新校準(zhǔn)后的短時(shí)間內(nèi)再次發(fā)生，并且并不會(huì)因?yàn)橐粌纱蔚男?zhǔn)而恢復(fù)扭矩傳感器的功能?；诖?，又考慮到協(xié)作機(jī)器人的安全性，我提出以下建議：協(xié)作機(jī)器人由于其安全性的要求，通常會(huì)配備雙通道的扭矩傳感器。上文中提到導(dǎo)線(xiàn)故障導(dǎo)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?；谝陨蠋c(diǎn)，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(zhǔn)確的扭矩?cái)?shù)值，也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)零位偏移的失效，避免因扭矩輸出值不準(zhǔn)確導(dǎo)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(shè)定一個(gè)合理的公差值，否則會(huì)經(jīng)常出發(fā)到閾值而導(dǎo)致停機(jī)。合理的閾值需要通過(guò)機(jī)器人的一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出。對(duì)于因裝配時(shí)內(nèi)應(yīng)力釋放導(dǎo)致的零位偏移，通常在協(xié)作機(jī)器人運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)不再進(jìn)一步偏移。所以為了在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)閾值的情況，建議所有協(xié)作機(jī)器人在出貨前重新進(jìn)行一次零位標(biāo)定。為了滿(mǎn)足ISO13849中對(duì)機(jī)械安全的要求，協(xié)作機(jī)器人的相關(guān)安全參數(shù)均在軟件層面實(shí)現(xiàn)參量化。與扭矩傳感器相關(guān)的參量化數(shù)據(jù)包括每次零位標(biāo)定時(shí)的數(shù)據(jù)，以及與上次校準(zhǔn)標(biāo)定的對(duì)比。為了確保扭矩傳感器的功能，通常也需要對(duì)傳感器每次標(biāo)定數(shù)據(jù)的差值設(shè)定一個(gè)閾值。如果兩次標(biāo)定數(shù)據(jù)的差值大于這個(gè)閾值，那么則需要檢查是否扭矩傳感器存在故障。5結(jié)語(yǔ)我們工業(yè)機(jī)器人行業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)出一批批有創(chuàng)新、有競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)秀機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)。與此同時(shí)，也應(yīng)該注意到在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，我國(guó)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(jī)器人中的關(guān)鍵零部件，在設(shè)計(jì)階段就需要全面考慮其特點(diǎn)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)中增加保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)。作者基于工作中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，用