力矩传感器的设计及其在操作臂上的应用

黄云天

0 引言

近年来，机器人对外界的感知能力在不断提高。力/力矩传感器使机器人能够感知其与外部的相互作用力，获得周围环境的有用信息，进行友好的人机交互。随着社会步入老龄化，人们对服务机器人有了更为深入的研究，操作臂是服务机器人中不可缺少的一员，它的重要性相当于现实中人们的双手，可以帮助人们完成抓取物品、助餐，以及其它一些更为复杂的操作。为操作臂的关节安装力矩传感器，一方面可以对它进行力控制[1]，使操作臂能够完成更为精密的任务，与人交互更加柔顺[2]友好。另一方面，利用力矩传感器与操作臂自身的动力学模型，还可以及时检测到操作臂与周围发生的碰撞[3]，采取相应的保护措施，提高操作臂在给人们提供服务时的安全性，具有非常重要的意义。

本文研究的力矩传感器针对服务型操作臂的关节，结构简单，实现了弹性体与信号处理电路一体化，结构设计轻型化的目标。进一步介绍了如何应用力矩传感器实现操作臂与周围环境的碰撞检测，使操作臂与人交互变得友好安全。

1 力矩传感器的设计

力矩传感器安装在操作臂关节电机传动输出轴上，由一个粘贴有应变片的力矩盘和相应的信号处理电路组成。应变片组成的全桥电路在受到扭矩作用时，会输出微弱的电压信号，对该应变信号进行放大滤波后，将其进行静态标定可以得出输出电压与力矩对应的理论关系。

1.1 传感器的结构设计

结合操作臂关节自身的结构特点，力矩传感器的弹性体选择圆形的十字横梁结构[4]，其优点在于输出的信号理论关系简单，易于分析。传感器材料选择使用测力传感器的常用材料 LY12，该材料作为力矩传感器使用时灵敏度高、材料的比例极限高、重量轻、工艺性能好、材料的散热性好、易做成小型的组合结构，以提高刚度和自振频率，获得稳定性和重复性好的测量结果。选择的应变片电阻值为350欧姆，降低传感器功耗。力矩盘的结构见图1，它由8个横梁组成，其中4个用来粘贴应变片，另外4个用来保护传感器，加强传感器的强度，提高传感器的过载能力。

图1 力矩传感器结构

由于应变输出信号很微弱，需要对传感器结构进行有限元分析，分析力矩盘受力后应变的分布情况，以获得最佳的应变片粘贴位置，使得到的应变信号强，受到其他方向的剪切变形的干扰小。力矩传感器的有限元分析见图2，从图中可知，传感器在十字横梁位置上受到应力最大，选择应变片的粘贴位置见图3，分别在力矩盘的4个横梁上粘贴8个应变片。应变片电阻电路的连接见图4，8个应变片连接成两个全桥电路，该连接方式可以补偿温度效应和横向力[5]对力矩传感器输出的影响，同时还可以提高检测的灵敏度。

图2 力矩传感器的有限元分

图3 应变片粘贴位置图

图4 应变片全桥电路

1.2 信号采集的放大电路设计

信号采集放大电路包括电源电路、放大电路和滤波电路。传感器采用单电源供电，通过内部的电源转换电路将其转换为各个模块需要的多路不同的输出电压。由于应变片电桥的输出信号非常微弱，因此需要选择温漂小的高精度运放，否则信号将被淹没。选择仪表运算放大器AD8221设计一级放大电路，它的优点是温漂小，并且可以有效抑制共模干扰。对放大后信号的滤波采用二阶有源低通滤波器，设置滤波器的截至频率为1000HZ可以有效地滤除高频干扰，获得稳定的信号输出。

应变片电桥供电的电源电压要求输出纹波小，以保证获得的应变信号噪声小，采用线性电源转换模块可以获得满足要求的纹波小的电源电压，传感器的电源管理电路见图5，传感器采用 24V单电源供电，电源管理电路为传感器提供+15V，-15V和+5V 3路不同的电压，其中，+15V和-15V给放大电路和滤波电路的运算放大器供电，分别由 78L15线性稳压二级管和7662 DC-DC电源转化模块来获得，+5v电压为应变片全桥电路供电，由线性稳压二级管 78L05获得。

图5 电源管理转换电路

1.3 传感器的标定

完成力矩传感器结构和电路设计后，需要对其进行静态标定，静态标定在砝码重锤式标定试验台[6]，通过加载砝码对力矩传感器施加事先已知大小的扭矩，使用高精度万用表测得经信号处理电路放大后的电压。采用曲线拟合的方法获得传感器的特性曲线，用最小二乘法进行误差分析，得到传感器的各项性能指标。实验数据经线性拟合后的曲线见图6，图中的离散点为重复5次加载力矩从0到40N.m增加再从40N.m减小到零测得的5组数据取平均值后得到的数据点，将这些数据点进行线性拟合后得到力矩传感器的特性曲线。

表1为经数据分析得到的力矩传感器的性能指标。

表1 力矩传感器指标

图6 力矩传感器的拟合曲线

2 力矩传感的应用

2.1 操作臂碰撞检测的原理

在操作臂关节上安装扭矩传感器，可以检测到关节实际输出的扭矩，而结合其它传感器获得的位置、速度、加速度信息和操作臂的动力学模型，可以计算出操作臂的各个关节理论上的应该输出的扭矩。在操作臂与周围环境发生碰撞时，实际测得的扭矩和理论计算得到的输出的扭矩会产生偏差，通过计算它的偏差，设定一个合适阀值，可以检测到操作臂在运行过程是否发生碰撞。应用力矩传感器进行碰撞检测的系统结构图见图7，其中τ为扭矩传感器检测到的实际的输出扭矩，τ1为通过动力学模型计算得到的扭矩，у为一正整数，作为碰撞检测的阀值。当扭矩偏差的绝对值大于阀值时，系统认为检测到碰撞发生，立即停止操作臂，进入保护状态。

图7 操作臂碰撞检测框图

2.2 碰撞检测实验与分析

设定检测阀值为1.5N/m，控制周期为10ms，操作臂与薄纸碰撞的整个过程见图8，操作臂在运行过程中撞到薄纸后迅速停止，证明了应用力矩传感器检测碰撞的实时有效性。在整个碰撞的过程中误差扭矩与关节速度随时间的变化情况见图9。分析可知，操作臂碰撞到薄纸后，到达图中A点时，扭矩误差已经超过阀值，控制器从下一个周期 B点开始响应，给电机施加一个很大的反方向扭矩，关节速度迅速减小，并有一定的超调，到达 C点时，关节速度为零，电机停止。系统在一个控制周期10ms内检测到碰撞，从碰撞发生到操作臂完全停止的整个过程在100ms内完成。

图8 操作臂与纸片碰撞实验

图9 碰撞检测响应过程

3 结论

本文具体讨论了操作臂关节力矩传感器的设计，结合操作臂的结构的特点，将力矩传感器的结构和信号处理电路进行了一体化处理，并选择合适的材料使传感器具有轻型化的特点。力矩传感器进行静态标定后，将其安装在操作臂中，通过具体的碰撞检测实验证明了它的实用性。

下一步我们将充分利用力矩传感器获得的信息，对操作臂进行力控制和柔顺控制，使其能够在完成更高级精细任务的同时，为人们提供更为优质安全的服务。

[1] 张广立.开放式机器人力控制系统及先进力控制策略的研究[D] .上海:上海交通大学,2004.

[1] 今天,王树新,丁杰男.未确知环境下刚-柔机械臂主动柔顺运动控制的仿真研究[J] .河北工业大学学报,2005,34(3):8-13.

[3] Luca A De and Mattone R. Sensorless robot collision detection and hybrid force/motion control[C] . 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Barcelona, E, 2005. 999-1004.

[4] 秦宇.双足机器人踝关节六维力传感器及其信号处理系统的研究[D] .哈尔滨:哈尔滨工业大学,2004.

[5] 史士财,谢宗武,倪风雷,刘宏.高集成度空间机械臂模块化关节的研制[J] .西安交通大学学报,2007,41(2):162-166.

[6] 倪风雷,高晓辉,金明河,朱映远,徐占锋.轻型臂关节力矩传感器的设计[J] .仪器仪表学报,2006,27(2):191-195.