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关节扭矩传感器和六轴扭矩传感器

文字:[大][中][小] 2021-3-13    浏览次数:1219    


1.背景介绍在前一篇文章中,我们从力检测方法和力控制理论两个角度讨论了力控制的发展历史。力控制的理论比较完善,但是交互力检测的方式差别很大。目前最常用的两种方法是铰接式单轴扭矩传感器和端部式六轴扭矩传感器。本文主要分析了这两种方法的优缺点。


2.端部式六轴,这是目前使用最广泛的方法。这四个家族的机器人都有自己的力控制包,它们的实现是基于在机械臂末端安装六轴/三轴力传感器。这种力检测方法简单直接。然而,它有一个主要的原则缺陷:非定位模式。这个词的意思是检测元件的检测量不同于执行元件的检测量,即力的检测是在末端实现的,但实际执行元件(即电机)离末端很远,与机器人的机械体是分离的。这种非定位模式会限制机器人控制的动态性能,而且机体惯性大,带宽低。因此,基于末端检测力模式的力控制响应慢,带宽低。在刚性环境中稳定性也低。

        

3.关节力矩传感器安装在机械臂关节减速器的输出端,可以带来两个好处:解耦机械臂的动力学模型,有利于基于动力学的位置控制;有利于实现力的控制。这里主要讨论后者。前面我们提到了非共位模式的问题,关节力矩传感器(力检测元件)与电机(关节执行器)非常接近,从理论上消除了机械手机械惯性的影响,可以提高力控制的性能。这个结论在上个世纪就有了,联合转矩控制的类似关键词。但是,为什么这种武力控制的方式会被四大家族“忽视”


本文结合笔者的亲身经历对此原因进行了逆向分析:机械臂的布线问题(电源线和编码器线)是困扰国产机械臂稳定性的主要因素。如果在接头处增加扭矩传感器,走线的难度会进一步增加;而且传统工业机械臂的交流电机是非中空结构,没有UR那么容易。结构:在关节处安装扭矩传感器会增加关节结构的复杂性,降低关节传动链的刚度。传感器本身的支撑也是一个难题。范围:首先我们比较一下ATI在六个方向的范围。大致可以看出,力的范围会达到扭矩范围的40倍左右。

     

这说明力的偏心度不能太大,否则容易造成扭矩过载。这就要求对于端部六轴力控制,端部载荷的偏心是有限的,传感器的扭矩范围能够满足要求。我们来看看单轴关节扭矩传感器的量程。以尤利传感器为例,最大量程可达300纳米。假设传感器安装在25 kg载荷的工业机械臂上,臂跨1.5m,满载时,载荷施加在两轴上的扭矩高达375Nm,不考虑机械臂本身的重量和惯性矩。因此,铰接式扭矩传感器不能应用于中等范围及以上的机械臂。


现在,关节传感器也用于像iiwa这样负载小的轻型机械臂。从控制原理来看,iiwa的控制方式从关节位置输出升级为关节力矩输出,这是一个很大的进步。但这种光臂的位置控制精度低,更容易出现共振现象,控制要求更高,只能应用于力较小的力控制场合。虽然iiwa的控力效果很好,但在相同情况下,其控力效果是否优于末端六轴仍不得而知,因为对于轻型手臂,机构本身的动力学引起的非共位模态现象应该也比较弱。铰接式扭矩传感器可以控制近似全臂力,我们可以实现

4.结论铰接单轴很难成为力控制的通用解决方案,这可能是四大家族没有采用这种策略的原因。

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