基于惯性反馈的机器人智能碰撞传感器

2020-08-12林义忠王诗惠黄冰鹏谢生亮

仪表技术与传感器 2020年7期

林义忠，王诗惠，黄冰鹏，谢生亮

(广西大学机械工程学院，广西南宁 530004)

0 引言

在劳动力成本上升和人工智能快速发展的背景下，机器人应用领域更加广泛、工作环境更加复杂、人机协作更加密切，对机器人的碰撞检测和安全防护提出更高要求[1]。

目前工业机器人主要采用接触式开关碰撞检测法，当碰撞力超过传感器弹簧预紧力时，传感器上的活动部件产生相对位移并发出报警信号。许多研究学者从机构运动、弹性元件、驱动方式等角度设计了多款不同形式的变刚度驱动器(variable stiffness actuator，VSA)[2-4]。针对机器人快速运动时对周围人员潜在的伤害，文献[5]中研制了一款变刚度驱动器，利用弹簧压缩量来改变关节刚度。通过弹簧的可变刚度性来保护不同碰撞力情况下的设备，文献[6]中设计了一种三自由度的防碰撞传感器。文献[7]中提出的弹簧离合器也是由弹簧、关节扭转传感器组成，利用扭矩的实际值和阈值的关系可以起到碰撞检测和缓冲保护的双重作用。为了确保该类开关传感器的可靠性，需要设置较大的弹簧预紧力，以便平衡高速运动状态下的机械手的惯性冲击力，而在低速平稳状态下，多余的预紧力会极大降低其灵敏度，无法感知一些较轻的碰撞。因此，现有碰撞传感器还存在碰撞阈值较高、感应精度较低的问题[8]。

基于传统碰撞传感器“碰撞-缓冲-触发”的原理，在缓冲环节设计了一个用电磁力来补偿惯性力的闭环控制系统，实时保持电磁吸力与惯性力之间的动态平衡关系，降低机器人末端的惯性力对传感器碰撞力检测效果的影响，以提高碰撞传感器的安全检测性能[9]。

1 传感器结构原理

碰撞传感器结构如图1所示，主要由电磁铁、法兰、输入轴、套筒、导力块、钢珠、弹簧、底座、万向行程开关等构成。传感器的智能化在于其采用电控闭环回路原理实现惯性力反馈和电磁力补偿两大功能，消除了惯性力对机器人的影响，通过机构的运动高灵敏度地完成碰撞保护。

图1 传感器的机械结构图

在初始状态下，弹簧的预紧力克服机械手的末端重力；在运动过程中，采用电磁力来平衡机械手末端受到惯性力作用；碰撞发生时，碰撞力通过输入轴、导力块压缩弹簧，当传递的力达到设定的碰撞力阈值时，行程开关触点瞬间接通，机器人停止工作。

2 理论分析计算

机械手末端的惯性力影响着碰撞传感器的检测性能。采用闭环控制，利用电磁铁输出的电磁力来动态平衡惯性力。考虑电控响应与机构运动的时间关系，分析传感器所能检测出的最小碰撞力，以判断智能传感器灵敏度的改善程度。

2.1 惯性机构运动时间的计算

图2为力矩平衡原理。在图2中，闭环控制的反馈信号为机械手的运动加速度，输出信号为电磁力。要达到力矩平衡，电控系统的响应必须超前惯性运动(输入轴受到惯性力开始摆动到行程开关接通)完成，即电控系统的完成时间tε应该小于惯性运动所需要的时间tx。如果电控系统有延迟，电磁铁还未输出足够的吸力，那么行程开关就不能及时接通，保护机制失效。下面建立求解惯性运动时间tx的数学模型。

图2 力矩平衡原理

输入轴受到惯性力作用后，发生转动并压缩弹簧，可以把传感器简化为一个单自由度摆振系统。惯性加速度的大小和方向均对输入轴产生影响，只须分析惯性力对输入轴摆动作用最大的情况，如图3所示，当惯性加速度与重力加速度在同一平面、与矢径r垂直且方向向下时，输入轴受惯性加速度影响最大，此时惯性运动所需的时间tx最小。

图3 传感器受加速度影响时的力学简化模型

弹簧预紧力克服摆体自重，忽略摩擦阻力，只需考虑惯性力。在平衡位置时，根据力矩平衡方程式(1)和几何关系式(2)可得到式(3)：

k·x0·D·cosφ0=m·a·|r|·cosφ0

(1)

x0=D·sinφ0

(2)

k·D2·sinφ0=m·a·|r|

(3)

式中：m为摆体质量，kg；a为惯性加速度，N/kg；k为弹簧弹性系数，N/mm；l为碰撞点的矢径，mm；x0为输入轴在平衡位置时的水平位移，mm；φ0为输入轴在平衡位置时摆过的角度，(°)。

根据刚体转动微分方程建立输入轴摆动的微分方程：

k·D2·sin(φ0+θ)·cos(φ0+φ)

(4)

式中J为摆动体对矩心O的转动惯量。

由于是小角度摆动，有sinφ0≈φ0，cosφ0≈1，故：

(5)

(6)

设置弹性系数k=10 N/mm，惯性加速度a=2g=20 m/s2，则输入轴转过角度(°)的微分方程解为

θ=7.2cos(28.1844t)

当弹簧压缩x(mm)时，行程开关接通，输入轴转角θx与运动时间tx以及位移x与时间tx的关系分别为：

θx=0.125[1-cos(28.184 4tx)]
x=50sinθx

利用上述公式计算出导力块位移x与输入轴摆角θx、接通时间tx之间的对应数据关系，如表1所示。

表1 位移、摆角和时间的关系

由表1数据分析可知，接通时间tx与位移x成正比关系，电磁力伺服的响应时间te大约为10 ms。如果设定行程位移为3 mm，行程开关接通的最短时间tx为36.3 ms，考虑到实际应用中机构运动时的摩擦阻力，实际的惯性运动所需时间tx大于理论值，因此恒有tx>te，闭环控制系统能够具有较好的实时性。

2.2 碰撞力阈值的分析

碰撞力的阈值是一个设定值，对应着使触点开关接通时所需要的弹簧弹力FT。当碰撞力F≥FT时，保护机制启动，机器人停止工作；当碰撞力F

在加速度的影响下，传感器受到惯性力Fa作用，利用电磁吸力Fe保持动态平衡，其受力状况如图4所示。

图4 惯性力作用下传感器的受力图

弹簧在碰撞力的作用下压缩x(mm)，触点接通。根据力矩平衡方程有：

(7)

(8)

联立式(7)、式(8)得传感器碰撞力阈值FT：

(9)

3 传感器的动力学仿真

用Pro/E软件建立传感器运动模型，并创建一个摆角θ的测量特征，如图5、图6所示。因为弹簧预紧力可以消除焊枪等部件的自重，所以在其几何重心处添加一个等效外力F=2mg=23 N，方向垂直于矢径。

图5 传感器连接焊枪的三维模型

图6 输入轴的摆角测量特征

根据惯性力平衡原理，电磁吸力消除了惯性力对输入轴的影响，把这一动态平衡过程表现为导力块位移x与输入轴摆角θ关于时间t的关系。惯性力作用的时域为0～0.1 s，电控系统的响应时间滞后10 ms，故设置仿真时间为0.01～0.1 s。仿真结果如图7、图8所示。

图7 导力块的位移变化

图8 输入轴的角度变化

当导力块位移达到最大x=1.745 mm时，输入轴摆过的最大角度为

Δθ=(7.280 81-5.234 01)°=2.046 8°

而后在弹簧的作用下，机械手快速回到水平位置。考虑阻尼的影响，导力块的最大位移不足1.745 mm。一般地，设置行程位移x≥2 mm，系统的闭环控制能够实现，运行具有可靠性。

4 实验测试

根据图1的机械结构原理进行设计，将套筒、输入轴、导力块、行程开关、底座等各个零部件紧凑地嵌入到壳体内，传感器的内部核心部件如图9(a)所示，其外形实物如图9(b)所示。

(a) (b)图9 传感器实物图

4.1 电控系统的可行性测试

以六自由度机器人为实验平台，将传感器安装在手臂末端的法兰上，用等质量的均匀圆棒代替焊枪位置，实验环境如图10所示。初始条件下，传感器输入轴处于水平位置，设置传感器内部开关的接通行程为2 mm，弹簧力为20 N，对应的惯性力和惯性加速度分别为8.3 N和8.2 m/s2。

机器人的第五轴以90°/s的角速度高速向上启动，加速时间为0.1 s，最大角加速度为15.7 rad/s2，测量可知旋转半径为0.55 m，轴摆动末端的切向加速度为15.7×0.55=8.6 m/s2。传感器由于相对运动受到的惯性加速度理论值为8.6 m/2。对开关电源线进行信号测试，有测试信号声发出，表明触点开关接通。

图10 传感器的碰撞实验环境

输入轴恢复初始状态，并加载机器人控制系统。第五轴再次以90°/s的角速度高速向上启动，直到转动停止，此运动过程中无信号声发出。在第五轴加速瞬间，电脑显示传感器加速度值为229 LSB，换算得惯性加速度大小为7.9 m/s2，略小于理论值。分析可知，未加载控制系统的传感器，启动时的惯性加速度为8.6 m/s2，大于触点开关接通时所需要的惯性加速度(7.2 m/s2)，触点开关接通了。而加载了控制系统的传感器，惯性加速度为7.9 m/s2，同样满足开关接通所需要的加速度，但是触点开关一直处于断开状态，说明传感器电控系统的闭环控制实现了，故传感器在运行过程中不会受到惯性力的干扰，可认为传感器控制系统的运行基本可靠。

4.2 静态的碰撞实验

设置传感器行程开关的接通位移为2 mm，将传感器安装在机械手末端的法兰上，用相同质量的均匀圆棒等效代替焊枪。测量可知，圆棒重心位置(记为点B)和末端位置(记为点D)的矩心距分别为120 mm和200 mm，然后在圆棒上找出矩心距80 mm和160 mm，分别记为碰撞点A和点C，进行静态碰撞。依次在4个点处进行上、下、前、后4个方向的碰撞，并且每个方向测量3次取平均值，碰撞力结果如表2所示。

把这些数据绘制成图11中的线型图，当碰撞力方向相同时，碰撞点与矩心的距离越短，碰撞力越大。若碰撞点的位置不变，当碰撞力向上时，由于克服弹簧预紧力和重力，此时碰撞力最大；当碰撞力向下时，因为弹簧预紧力与末端重力互为一对平衡力，所以碰撞力最小；当碰撞力向前或者向后时，它只需要克服弹簧预紧力，碰撞力值介于向上和向下时所需的碰撞力之间。

一般地，机器人与人发生碰撞时，人体能承受的疼痛均值在150 N左右[10]。根据静态碰撞试验，当圆棒末端受到向上碰撞时，仅29 N的碰撞力也能被检测出来，可见新型智能传感器能够保障人机安全。