金 力，王成軍，夏科睿，毛吉燦，陸 芳

(1.哈工大機器人(合肥)國際創(chuàng)新研究院，合肥 230601；2.安徽理工大學人工智能學院，淮南 232001；3.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，淮南 232001；4.安徽中科米點傳感器有限公司，合肥 230088)

服務行業(yè)是機器人應用的重要領域，輕型協(xié)作機器人以其輕量化、易用性、安全性等特點，成為機器人的重要發(fā)展和研究方向。一體化機器人關節(jié)作為協(xié)作機器人的核心驅(qū)動單元，對其輕量化和安全性的研究十分必要[1-2]。目前，各主要廠家協(xié)作機器人主要應用于工業(yè)生產(chǎn)，其關節(jié)主要采用一體式諧波減速機方案，難以實現(xiàn)緊湊和輕量化。且關節(jié)無扭矩傳感器配置，力控主要基于驅(qū)動器電流反饋方案，力控精度較差。

通過采用定制化三組件諧波減速機、定制化高功率密度電機和定制化扭矩傳感器方案，實現(xiàn)一體化關節(jié)的緊湊化和輕量化，大幅降低協(xié)作機器人自重[3]。扭矩傳感器作為力感知元件，相對于關節(jié)驅(qū)動器電流檢測，可以更靈敏、準確感知機器人關節(jié)負載變化，從而實現(xiàn)協(xié)作機器人與人之間的碰撞安全性和交互柔順性。

1 機器人關節(jié)系統(tǒng)方案設計

1.1 關節(jié)設計要求及指標

面向服務行業(yè)應用的機器人一般對負載要求較小，對力控及安全性要求較高。根據(jù)機器人一體化系列關節(jié)的設計方法，關節(jié)負載主要由受力最薄弱的諧波減速機限制，考慮使用14、17型減速機，進一步得到關節(jié)負載能力設計指標。使用無框力矩電機，額定轉速一般設計為3 000 r/min，根據(jù)式(1)，由諧波額定負載轉矩可折算得到電機額定轉矩Tm，其計算公式為

(1)

式(1)中：Tj為機器人關節(jié)額定扭矩；i為諧波減速機速比；η為諧波減速機效率，η取60%～95%[4]。

綜合考慮一體化關節(jié)研制的經(jīng)濟性，盡可能使用標準零部件，減少定制部件的使用，對緊湊性要求，盡可能優(yōu)化設計，減輕關節(jié)質(zhì)量，綜合確定14、17型一體化關節(jié)設計參數(shù)如表1所示。其中定制電機額定轉矩為1.5～2倍電機計算轉矩Tm，電機選型留有余量。關節(jié)選用多圈絕對值編碼器，低壓伺服驅(qū)動器實現(xiàn)對關節(jié)系統(tǒng)的伺服控制，關節(jié)最小分辨率為0.2″。

表1 緊湊機器人關節(jié)設計參數(shù)

1.2 關節(jié)系統(tǒng)結構組成

湊型內(nèi)嵌扭矩傳感器機器人關節(jié)，以17型減速機為例，主要由扭矩傳感器、諧波減速機、無框力矩電機、編碼器和驅(qū)動器組成，如圖1所示。采用定制設計三組件諧波減速機，保證關節(jié)的緊湊性，關節(jié)軸承選用超薄交叉滾子軸承(徑向額定動載荷 5.68 kN，徑向額定靜載荷8.68 kN)，一方面提高關節(jié)的剛度；另一方面可以減少非軸向彎矩對力矩傳感器干擾，提高關節(jié)扭矩測量精度[5]。定制無框力矩電機，具備高功率密度與大扭矩特點。關節(jié)編碼器采用16位多圈絕對值編碼器，低功耗保存關節(jié)多圈絕對位置，關節(jié)驅(qū)動器采用現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array, FPGA)架構，配置模擬量采集及A/D轉換端口，支持扭矩傳感器數(shù)據(jù)采集。

圖1 機器人關節(jié)系統(tǒng)結構

1.3 關節(jié)加載仿真分析

對設計17型緊湊型關節(jié)進行加載仿真測試研究，驗證關節(jié)設計的合理性。方案采用的編碼器動對靜盤間隙要求較為苛刻，利用有限元分析軟件對主要承載部件進行靜力學分析[6-7]。關節(jié)殼體與編碼器安裝盤之間固定連接，約束關節(jié)外圈螺釘孔，在鋼輪安裝面位置加載，最大扭矩70 N·m，得到整體零件的應力與變形分布情況，如圖2所示，根據(jù)結果分析得到最大應力約為10 MPa，應力分布均勻無集中，且遠小于6061鋁合金材料屈服強度。分析整體變形分布結果，獲得編碼器動盤軸承座處變形量為0.006 mm，滿足編碼器動靜盤安裝間隙要求。

圖2 關節(jié)殼體應力與變形分布

2 關節(jié)扭矩傳感器設計

2.1 扭矩傳感器本體設計

考慮到機器人關節(jié)緊湊性要求，需對扭矩傳感器進行定制化設計，包括傳感器彈性體設計和傳感器信號處理電路設計兩部分。應變片式扭矩傳感器結構簡單緊湊，穩(wěn)定性高，成本低，被廣泛應用于機器人關節(jié)系統(tǒng)，如德國宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt, DLR)機器人、Frank Emika機器人等[8]。根據(jù)等強度設計原則，以17型關節(jié)為例，扭矩傳感器允許最大瞬時負載為 70 N·m，平均負載為±40 N·m，采用輪輻式扭矩傳感器結構，初步設計傳感器本體如圖3所示，采用四梁結構，固定端位于輪輻盤中間位置，扭矩輸出為輪輻盤圓周部分，輪輻寬度H為14 mm，厚度B為 3 mm，長度L為10 mm。

2.2 傳感器本體受力分析

扭矩傳感器彈性體常采用鋁合金、合金鋼和不銹鋼材質(zhì)，考慮到17號關節(jié)平均負載較小，選用密度低、切削性能好的6061-T6鋁合金。材料力學性能：彈性模量68.9 GPa，泊松比0.33，屈服極限276 MPa，強度極限310 MPa[9]。傳感器本體內(nèi)圈固定安裝在減速機輸出端，關節(jié)扭矩作用在傳感器圓周上，使用有限元分析軟件，設置材料屬性，定義固定約束，傳感器圓周方向最大負載70 N·m，得到傳感器本體的應力分布。如圖4所示，結果顯示最大應力為107 MPa，小于屈服極限，最大應變出現(xiàn)在輪輻根部。

圖4 傳感器本體應力分布

采用應變片變形原理測量扭矩，應變片貼裝位置應該安裝在輪輻應變最大處，以便獲得更明顯應變片阻值變化[10]。由于設計扭矩傳感器本體為非完全對稱結構，各梁受力非完全相等，采用有限元分析方法，研究輪輻根部貼片位置觀測點應變與扭矩變化，以5 N·m扭矩步進加載到設計扭矩40 N·m，得到觀測點應力與扭矩變化擬合如圖5所示，由于材料彈性模量常數(shù)不變，根據(jù)胡克定律，分析得到輪輻根部應變與扭矩成正比關系，且線性度較好，輪輻根部適合布置應變片。

圖5 觀測點扭矩與應變關系

2.3 傳感器電路系統(tǒng)設計

如圖6所示，負載扭矩作用于傳感器本體產(chǎn)生形變，應變片產(chǎn)生阻值變化，引起惠斯通電橋電壓變化，如圖7所示，通過電路系統(tǒng)將電信號放大和濾波，最后輸入到驅(qū)動器模擬量端口，經(jīng)內(nèi)部A/D轉化獲得傳感器信號[11]。其中，電橋電壓Uo與供電電壓Ui、應變ε關系可表示為

圖6 扭矩傳感器工作原理圖

圖7 扭矩傳感器全橋電路

(2)

式(2)中：R1=R2=R3=R4，為各應變片的阻值；ΔR為阻值變化量；分子中ΔR為被忽略項；ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4分別為各電橋應變片的電阻變化值；K為應變片靈敏系數(shù)；ε為應變。

根據(jù)關節(jié)伺服驅(qū)動器模擬量輸入端口參數(shù)，確定傳感器工作電壓為5 V，由于全橋電路輸出電信號微弱，且易受高頻電路噪聲干擾，使用綜合性能較高的INA129運算放大器，配置放大倍數(shù)為150倍，使用RC低通濾波電路過濾高頻電磁噪聲[12]，獲得穩(wěn)定的傳感器信號，圖8為傳感器信號調(diào)理電路模塊，電路板尺寸40 mm×22 mm，可嵌入安裝在機器人關節(jié)尾部。

圖8 傳感器信號調(diào)理模塊電路

2.4 傳感器靜態(tài)標定實驗

對研制的關節(jié)扭矩傳感器進行標定實驗，從非線性度誤差、靈敏度、零漂和滯后誤差4個方面對其性能進行性能研究[13-14]，如圖9所示，設計扭矩測試工裝，使用不同質(zhì)量砝碼負載，在扭矩加載機上進行加載測試。

圖9 扭矩傳感器靜態(tài)標定實驗

從零點開始階躍進行加載到額定最大負載，然后從最大負載逐步減小，反方向負載重復測試一次，獲得負載扭矩與輸出電壓之間測試數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。對測試數(shù)據(jù)進行處理，使用最小二乘法得到負載扭矩與電壓曲線如圖10所示。

圖10 扭矩電壓擬合曲線

表2 靜態(tài)標定實驗數(shù)據(jù)

分析扭矩加載測試數(shù)據(jù)及擬合曲線，扭矩傳感器線性度較高，測試及計算得到扭矩傳感器參數(shù)如表3所示，對比其他關節(jié)扭矩傳感器，參數(shù)相當，性能良好[15]。

表3 扭矩傳感器性能參數(shù)

3 緊湊型機器人關節(jié)應用

3.1 關節(jié)負載測試實驗

使用負載試驗臺對14型、17型機器人關節(jié)進行加載實驗，如圖11所示，磁粉制動器最大制動范圍50 N·m，扭矩傳感器范圍±70 N·m，通過增大磁粉制動器電流來增加關節(jié)負載，設置關節(jié)電機轉速1 000 r/min勻速轉動，分別加載到平均負載轉矩8、27 N·m，正反轉連續(xù)運行1 H，關節(jié)運行正常，電流穩(wěn)定。關節(jié)最高溫升為分別為55、48 ℃，溫升較高，分析原因為電機寬度偏短，功率密度過高導致，在關節(jié)應用時，要充分考慮散熱。關節(jié)實物如圖12所示，關節(jié)型號質(zhì)量尺寸參數(shù)如表4所示。

圖11 關節(jié)負載測試實驗

表4 緊湊型關節(jié)樣機參數(shù)

3.2 關節(jié)機械臂應用實驗研究

基于研制的14型、17型緊湊型機器人關節(jié)，其中17型內(nèi)嵌扭矩傳感器，組建五軸輕型機械臂。如圖13所示，機器人本體采用碳纖維復合材質(zhì)，應用2個17型關節(jié)，3個14型號關節(jié)，機械臂臂展 630 mm，本體自重5.5 kg(包含夾爪)，負載1 kg(不包含夾爪)，搭載智能實時機器人操作系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人的開門作業(yè)，驗證了緊湊型關節(jié)的穩(wěn)定性與可靠性。

圖13 多關節(jié)機械臂應用研究

4 結論

對一體化機器人關節(jié)進行緊湊化系統(tǒng)方案設計，研制了14型、17型機器人關節(jié)，設計了17型關節(jié)內(nèi)嵌扭矩傳感器，并將關節(jié)應用于機械臂上。得出如下結論。

(1)采用三組件諧波減速機和內(nèi)嵌式扭矩傳感器設計方案，關節(jié)負載與關節(jié)質(zhì)量比可提升30%～35%。

(2)關節(jié)端蓋內(nèi)嵌四梁輪輻式扭矩傳感器，參數(shù)性能良好，同時可縮短關節(jié)軸向尺寸，使關節(jié)更緊湊。

(3)緊湊型關節(jié)和高強度碳纖維復合材質(zhì)的應用，可進一步減輕機械臂本體重量，提高機械臂與人交互安全性。