机器人研究中的力扭矩传感技术.pdfVIP

第二届全国先进制造装备导机器人技术论文集 机器人研究中的力扭矩传感技术 乔文春 DMS(IION(；ItONG)CO． 1介绍 现在，机器人已被用于执行各种任务。从精细的外科手术到处理放射性的有害物质都有 机器人的身影。地震灾难发生时，它们还可以配合搜救队员更有效的寻找幸存者，在一些现 代化的工厂的生产线上，它们为你组装汽车．甚至在不久的将来．能为你打扫房问，洗农做 饭，就像我们在一些科幻电影里面看到的那样。 世界范围内的机器人研究者们正在不遗余力的开发着机器人的新功能和新麻用。 因为它们的难以置信的适应性，机器人正被应用于越来越多的不同的领域。它们能够朝 几乎各个方向移动，井可以模仿人类使用各种工具。对于一个机器人工程师而言，机器人手 臂的束端总是储存着十分重要的有价值的信息。而我们觉得这些有用的信息就是力和壬H矩。 单轴力传感器在工业研究中十分普遍．但是在机器人研究中应用有局限。它们不是非常 的耐用(过载能力受限)并且不能通过简单的几何组合去进行多轴测量。这个时候，6自由 度力扭矩传感器将会是一个非常有用的工具，在机器入研究中的方方面面都可配合使朋。这 样，工程!filill]就能够对机器人在各个方向上产生的力和扭矩有一个明确的记录。 2应用 具体来说，力扭矩传感器(F／T)有着许多应用。在实时机器人力控制系统中．传感器使 机器人能够和零件维持一个恒定的接触力。尤其在抛光打磨过程中，操作机器人必须时刻进 行打磨位雹的不精确偏量的补偿，这是十分关键的。力扭矩传感器(F／T)同时会赋予机器人 类似于人类触觉的特征．依靠这样的触觉，机器人能够完成除了视觉控制和位置控制以外的 任务。依靠触觉，机器人能够实现复杂的机械组装并能安全地处理精细组件。力扭矩传感器 (F／T)也支持着虚拟环境的力反馈和远程机器人的应用。如果知道了接触载荷的方向，接收 到的力扭矩值就能够通过控制系统精确地控制零件或工具。 诚然．许多上述的应用无疑倾向于工业领域．力扭矩传感器(F／T)同样也是一款不可多 得的科学研究工具。在应用于人类脊椎和其他部件的动力学的机器人的相关研究中。力扭矩 数据的获取能够帮助研究人员更精确地观察人类身体部件对不同载荷力的反应，引领我们更 好的理解受伤以及外科手术的策略。装备力扭矩传感器(F／T)的机器人还可以用来配合中风 病人的研究和治疗。力扭矩传感器(F／T)的机器人在机理系统的功能和表型测试中无疑是个 十分有用的工具。 在机器人研究选择传感器的时候，有几个关键的特性是十分重要的。由于机器人容易损 坏，所以．传感器应该有非常高的过载率。另外机器人研究过程中对位置精确度要求很高， 因此，力扭矩传感器(F／T)应该具有非常好刚性。力扭矩传感器(F／T)同时应该具有缀宽 的检测范围，良好的分辨力和低噪音的特性。 3技术背景 ATI工业自动化公司从1983年始便一直致力于机器人传感器的制造和研发，并且成立了 一个相当大规模的工业机器人和科研机器人的应用基地。6自由度力扭矩传感器主要采用了 应变测量技术将力和瞬时荷载转换为电信号输出。ATI力扭矩传感器(F／’r)使用硅应变片 技术，因其具有低噪音输出和高应变系数，使传感器具有很高的过载保护和低噪音特性。 图 例1．典型的6自由度力扭矩传感器结构示意图。不管是17m直径还是330mm直径的传感器 这种设计在本质上是一样的。中央的“hub”通过三个(beam)桥连接到传感器的外壁。每个 (beam)桥都装有四个硅应变片结成两个半桥结构。传感器输出6组原始应变数据。 第二届全国先进制造装备粤机器人技术论文集 图例1． 典型力扭矩传感器结构 原始的应变数据经由矩阵换算被转换成力和扭矩信息。在制造过程中，每个传感器都经 过以F的校准处理：约25个精确的荷载信息以复杂的方向被NIH加载到传感器中。这样处理 的结果使传感器具有了6)(6的校准矩阵，其中的每个值唯一地对应于相应的传感器。见图例 2 FX0肿29，6 ．哪O蝴9 ．仉n223630舾5●3 ．0m2咖4_0．7：I锄 0．010∞6 一n街33a000耐M40．414672．Oml4946o．419啦m Fy nm3∞7．