扭矩传感器在协作机器人中应用的研究分析

扭矩传感器在协作机器人中应用的研究

Summary：协作机器人扭矩传感器的作用是保证机器人与人在同一空间内共同工作时的安全。扭矩传感器可以将机械结构承受的扭矩最终通过惠斯通全桥电路、滤波器、放大器等调节电路的方式输出为电压信号，从而得到对应线性的扭矩值。作为保证协作机器人安全性的重要部件，扭矩传感器是协作机器人的重要组成部分之一。本文将讲讲扭矩传感器的原理和应用。Keys：扭矩传感器；协作机器人；应用1引言机器人在汽车厂、物流、3C行业的不断普及，使得工业机器人的精度优势和效率优势不断被大众所认识和接受。随着机器人应用市场越来越大，公司对效率和盈利能力的追求不断提高，协作机器人变得越来越普遍。协作机器人可以满足人与机器人在同一个空间内无外部防护装置的情况下共同工作，所以对安全性提出了更高的要求。为了达到更高级别的安全性，通常机器人内会使用扭矩传感器来监测协作机器人上各关节的机械扭矩，从而判断机器人与外界是否发生了碰撞，进而实现人机协作的安全保护行为。本文将从协作机器人扭矩传感器的原理出发，结合作者工作中的应用实例中来研究扭矩传感器的特性及其故障诊断方案。2扭矩传感器的工作原理六轴协作机器人上通常使用压阻式扭矩传感器。该类型传感器具有精度高、抗干扰强、结构紧凑的特点。压阻式扭矩传感器通过自身机械结构承受扭矩。由于传感器本身设计时的结构考虑了所受扭矩的对称性，通常应变片的位置会放置在轮辐中心。同时为了协作机器人能够满足ISO13849第3类的机械安全要求，压阻式扭矩传感器会使用2组惠斯通全桥电路连接传感器，每组采用4片应变片。当检测应变信号时，应变片输出信号的变化会改变电桥电阻器的阻值，使得电桥两端的电压法生变化。但是这种电压的变化是极小的，所以通常传感器电路板上面会通过滤波器、放大器等内置调理电路来抵抗外部干扰，最终将电压信号采集出来。此外，扭矩传感器由于在生产过程中会有应力释放和各种噪声的干扰，出厂前必须要进行静态标定。通过静态标定，可以最终得到扭矩传感器力矩和电压的线性关系曲线。3扭矩传感器的安装及注意事项3.1扭矩传感器安装的结构机器人的动力源自电机，电机通过谐波减速机将输出转速降低的同时，增加输出扭矩。扭矩传感器则通常用销和螺栓与谐波减速机的输出端连接在一起，并将扭矩传递给机械臂。同样的，机械臂一旦与外部出现碰撞，外部冲击对机器人产生的冲击也会作用到扭矩传感器上并反馈给控制系统。图1典型协作机器人关节结构3.2扭矩传感器在安装时的注意事项为了确保协作机器人的位置精度，扭矩传感器通常会由销和螺栓与谐波减速机连接。这就使得装配人员在安装扭矩传感器的时候需要使用尼龙锤敲击销，并使用扭矩扳手拧紧螺栓。在这个装配的过程中，下面两种失效情况是需要注意的。敲击销来连接扭矩传感器和谐波减速机时，两个零件都会收到敲击带来的冲击力。这种冲击如果操作不当会完全作用在扭矩传感器的电路板上。连接应变片和电路板是使用的比头发丝还要细的导线。虽然这些导线外部由环氧胶保护起来，但外力依然极易导致其发生变形甚至破坏。这就会使其输出的扭矩值不稳定，甚至无法输出信号。为了验证外力作用在环氧胶表面会对扭矩传感器造成的影响，我们将外力直接施加在靠近电路板边缘的环氧胶表面，通过肉眼的观察就可以看到内部导线产生了明显变形。最终导线内张力超过连接强度导致了导线断裂。所以，装配时一定要使用导向装置对销子进行敲击，并且支撑面设定在扭矩传感器的机加工件上，避免电路板和应变片区域收到极大冲击。这样才能保证扭矩传感器在装配后的正常工作。在使用销和螺栓固定扭矩传感器时，安装的力和扭矩会使传感器的机加工件产生弹性形变，这将导致扭矩传感器的零位产生偏移。由于安装过程中施加的外力是不可避免的，而且这种外力不会自己消失，所以就需要在装配完成后对扭矩传感器重新进行零位标定。为了扭矩传感器在装配后的正常工作，需要在选择扭矩传感器的量程时考虑安装过程中导致的零点偏移量，避免零点偏移后量程范围不满足监测范围。同时也建议在装配过程中对零点偏移进行监测，这样可以及时观察和判断偏移量是否可以通过后续的标定进行有效校正。4扭矩传感器工作时的注意事项安装到协作机器人上的扭矩传感器，在机器人上面完成标定后会实时监测机器人各关节的扭矩情况。随着机器人的运行，安装时产生的一部分内应力会得到释放，这时扭矩传感器的零位会进一步发生偏移。但是这种零位偏移的现象与上文提到的导线变形导致的零位偏移很类似，不同的是这种零位偏移可以通过再一次标定校准恢复扭矩传感器的正常功能，而导线变形导致的零位偏移则会在重新校准后的短时间内再次发生，并且并不会因为一两次的校准而恢复扭矩传感器的功能。基于此，又考虑到协作机器人的安全性，我提出以下建议：协作机器人由于其安全性的要求，通常会配备双通道的扭矩传感器。上文中提到导线故障导致的零位偏移，通常只发生在某一处的惠斯通全桥电路上。基于以上几点，可以在控制系统中增加两通道交叉检查的功能。这样既可以输出更准确的扭矩数值，也可以及时发现零位偏移的失效，避免因扭矩输出值不准确导致的安全事故。需要注意的是，双通道的交叉检查功能需要设定一个合理的公差值，否则会经常出发到阈值而导致停机。合理的阈值需要通过机器人的一系列实验数据得出。对于因装配时内应力释放导致的零位偏移，通常在协作机器人运行一段时间后会不再进一步偏移。所以为了在客户现场不再出现零位偏移或者扭矩传感器两通道交叉检查数值超过阈值的情况，建议所有协作机器人在出货前重新进行一次零位标定。为了满足ISO13849中对机械安全的要求，协作机器人的相关安全参数均在软件层面实现参量化。与扭矩传感器相关的参量化数据包括每次零位标定时的数据，以及与上次校准标定的对比。为了确保扭矩传感器的功能，通常也需要对传感器每次标定数据的差值设定一个阈值。如果两次标定数据的差值大于这个阈值，那么则需要检查是否扭矩传感器存在故障。5结语我们工业机器人行业经过多年的发展，已经涌现出一批批有创新、有竞争力的优秀机器人研发团队。与此同时，也应该注意到在协作机器人领域，我国的企业依然有较大潜力需要挖掘。扭矩传感器作为协作机器人中的关键零部件，在设计阶段就需要全面考虑其特点，在机械结构、控制系统中增加保护和安全监测。作者基于工作中的实践经验，用