一种机器人末端十二维传感器及其设计方法 |
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| 申请号 | CN201510696343.0 | 申请日 | 2015-10-22 | 公开(公告)号 | CN105352647A | 公开(公告)日 | 2016-02-24 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 倪风雷; 邹添; 李奎; 刘宏; 郭闯强; 孙永军; | ||||
| 摘要 | 一种 机器人 末端十二维 传感器 及其设计方法，它涉及一种传感器及其设计方法，具体涉及一种机器人末端十二维传感器及其设计方法。本 发明 为了解决现有空间 机械臂 末端存在残余振动、 载荷 参数难以辨识以及 接触 碰撞的问题。本发明的每个第二应变片端部与相邻近的一个外梁的端部通过一个连接板连接，四个第二应变片、第二外梁和八个连接板组成封闭的外框体，内环设置在所述外框体内，内环的外 侧壁 通过四个内梁与所述外框体上的四个外梁连接，相邻两个内梁之间的内环的外侧壁上分别设有一个第一应变片，每个第一应变片分别与一个第二应变片对应，六维 力 加速 度传感器嵌装在内环内，采集板安装在六维力矩传感器的侧面。本发明用于机器人领域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种机器人末端十二维传感器，其特征在于：所述一种机器人末端十二维传感器包括六维力矩传感器(1)、六维加速度传感器(2)和采集板(3)，六维力矩传感器(1)由内环(1-1)、四个内梁(1-2)、四个第一应变片(1-3)、四个第二应变片(1-4)、四个外梁(1-5)和八个连接板(1-6)组成，四个第二应变片(1-4)和四个外梁(1-5)呈环形交错设置，每个第二应变片(1-4)端部与相邻近的一个外梁(1-5)的端部通过一个连接板(1-6)连接，四个第二应变片(1-4)、第二外梁(1-5)和八个连接板(1-6)组成封闭的外框体，内环(1-1)设置在所述外框体内，内环(1-1)的外侧壁通过四个内梁(1-2)与所述外框体上的四个外梁(1-5)连接，相邻两个内梁(1-2)之间的内环(1-1)的外侧壁上分别设有一个第一应变片(1-3)，每个第一应变片(1-3)分别与一个第二应变片(1-4)对应，六维力加速度传感器(2)嵌装在内环(1-1)内，采集板(3)安装在六维力矩传感器(1)的侧面。 |
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| 说明书全文 | 一种机器人末端十二维传感器及其设计方法技术领域[0001] 本发明涉及一种传感器及其设计方法，具体涉及一种机器人末端十二维传感器及其设计方法，属于机器人领域。 背景技术[0002] 随着科学技术的发展，机器人技术越来越多的被应用于各种场合，如搬运、焊接、装配等。空间机械臂是机器人领域一个重要的研究方向，要求质量轻、控制精度高、自由度多、载荷自重比大，能够进行力控制等，其核心问题是智能化。为了满足高精度的力控制，末端六维力/力矩传感器成为空间机械臂的重要组成部分，它能够同时感知三维空间中的全力信息，是作为空间机器人智能化特征的一个关键部件。 [0003] 但是由于空间机械臂的柔性，使得空间机器人存在末端的残余振动。现有空间机械臂末端还存在其他一些问题，如载荷参数辨识困难以及接触碰撞等问题。针对这些问题，传统的六维力矩传感器不能满足控制要求，难以实现接触力和载荷惯性参数的辨识任务。 发明内容[0004] 本发明为解决现有空间机械臂末端存在残余振动、载荷参数难以辨识以及接触碰撞的问题，进而提出一种机器人末端十二维传感器及其设计方法。 [0005] 本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述传感器包括六维力矩传感器、六维加速度传感器和采集板，六维力矩传感器由内环、四个内梁、四个第一应变片、四个第二应变片、四个外梁和八个连接板组成，四个第二应变片和四个外梁呈环形交错设置，每个第二应变片端部与相邻近的一个外梁的端部通过一个连接板连接，四个第二应变片、第二外梁和八个连接板组成封闭的外框体，内环设置在所述外框体内，内环的外侧壁通过四个内梁与所述外框体上的四个外梁连接，相邻两个内梁之间的内环的外侧壁上分别设有一个第一应变片，每个第一应变片分别与一个第二应变片对应，六维力加速度传感器嵌装在内环内，采集板安装在六维力矩传感器的侧面。 [0006] 本发明所述传感器的设计方法的具体步骤为： [0007] 步骤一、设计传感器的整体：将六维加速传感器安装在六维力矩传感器的内环上，六维加速传感器与六维力矩传感器相互独立，二者之间没有耦合； [0008] 步骤二、六维力矩传感器设计：传感器的设计指标为：沿着三个坐标轴方向的力量程为±500N，误差为±0.015N，围绕着三个坐标轴的力矩量程为±100Nm，误差为±0.003Nm，为了防止空间搬运时较大的惯性力会导致传感器过载，结构设计时采用销孔间隙式机械保护结构。 [0009] 本发明的有益效果是：本发明具有结构模块化、紧凑化、多感知能力等优点，克服了传统六维力矩传感器功能单一，不能为机器人末端振动的抑制提供直接加速度反馈的缺点。 [0010] 机器人振动抑制、笛卡尔空间加速度控制器的设计是高性能机器人控制器的一个重要组成部分。机器人末端六维力矩传感器的标定、与机器人末端执行器之间实现相互的姿态校正需要在地面环境中或者机器人末端姿态的测量。 [0011] 由于六维加速度能够准确、灵敏地反映物体运动的变化情况，六维加速度传感技术在工业自动化系统、交通运输工具、机器人控制系统、导航制导设备、互动娱乐设备、医疗保健设备和地震预测装置中有着广泛的应用前景。如提出通过测量大地的六维加速度进行地震的分析；韩国三星公司研究开发了基于六维运动测量的数字输入设备，利用电子笔在空间中模拟书写的运动轨迹实现字符的输入，此外，六维加速度传感器还可用于室内机器人、隧道机器人和导航、人体姿态变化的记录分析、碰撞实验分析、振动测试、隔振平台的反馈控制和体育训练中球体运动轨迹分析等诸多领域。因此，能够实现六维加速度传感的六维加速度传感器和六维加速度测量系统的研究在学术领域和工业生产中具有重要价值，日益引起人们的关注。附图说明 [0012] 图1是本发明的主视图，图2是图1的仰视图，图3是刚体上固定点的加速度，图4是加速度的空间布置方案图，图5是惠斯顿电桥示意图，图6是应变片组桥图。 具体实施方式[0013] 具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种机器人末端十二维传感器包括六维力矩传感器1、六维加速度传感器2和采集板3，六维力矩传感器1由内环1-1、四个内梁1-2、四个第一应变片1-3、四个第二应变片1-4、四个外梁1-5和八个连接板1-6组成，四个第二应变片1-4和四个外梁1-5呈环形交错设置，每个第二应变片 1-4端部与相邻近的一个外梁1-5的端部通过一个连接板1-6连接，四个第二应变片1-4、第二外梁1-5和八个连接板1-6组成封闭的外框体，内环1-1设置在所述外框体内，内环 1-1的外侧壁通过四个内梁1-2与所述外框体上的四个外梁1-5连接，相邻两个内梁1-2之间的内环1-1的外侧壁上分别设有一个第一应变片1-3，每个第一应变片1-3分别与一个第二应变片1-4对应，六维力加速度传感器2嵌装在内环1-1内，采集板3安装在六维力矩传感器1的侧面。 [0014] 具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种机器人末端十二维传感器的设计方法是通过如下步骤实现的： [0015] 步骤一、设计传感器的整体：将六维加速传感器2安装在六维力矩传感器1的内环1-1上，六维加速传感器2与六维力矩传感器1相互独立，二者之间没有耦合； [0016] 步骤二、六维力矩传感器设计：传感器的设计指标为：沿着三个坐标轴方向的力量程为±500N，误差为±0.015N，围绕着三个坐标轴的力矩量程为±100Nm，误差为±0.003Nm，为了防止空间搬运时较大的惯性力会导致传感器过载，结构设计时采用销孔间隙式机械保护结构。 [0017] 工作原理 [0018] 一、以测量切向力Fx为例：切向力Fx施加于内环1-1的上端面，连接板1-6长度方向(即连接板1-6沿内环1-1圆周方向)刚度大于其厚度方向(即连接板1-6的内外方向)刚度。因此，与Fx方向平行的内梁1-2、外梁1-5和连接板1-6均看做刚性梁，与Fx方向垂直的内梁1-2和连接板1-6均看做柔性梁，与Fx方向垂直的内梁1-2可看成悬臂梁。在内梁1-2上形成应变敏感区域，因此组成应变电桥，进而可测出Fx，同理可测切向力Fy。 [0019] 二、以测量轴向力Fz为例：轴向力Fz施加于内环1的上端面，通过内梁1-2传递到外梁1-5上，连接板1-6高度方向(沿Z轴方向)的刚度大于其厚度方向(即连接板1-6的内外方向)刚度。因此内梁1-2看作刚性梁，连接板1-6看作柔性梁，而把外梁1-5看作悬臂梁。轴向力通过均布的四个内梁1-2传递到外梁1-5上，外梁1-5发生弹性变形，在外梁1-5上形成应变敏感区域，因此组成应变电桥，进而可测出Fz。 [0020] 三、以测量弯矩Mx为例：弯矩Mx施加于内环1-1的上端面。通过内梁1-2传递到外梁1-5上。连接板1-6高度方向(沿Z轴方向)刚度大于其厚度方向(即连接板1-6的内外方向)刚度。弯矩Mx通过均布的四个内梁1-2及两个长度方向与X轴垂直的外梁1-5传递到长度方向与X轴平行的外梁1-5上，这两个外梁1-5发生弹性变形，在外梁1-5上形成应变敏感区域,因此组成应变电桥，进而可测出Mx，同理可测My。 [0021] 四、以测量扭矩Mz为例：扭矩Mz施加于内环1-1上端面。连接板1-6长度方向和高度方向(沿Z轴方向)刚度大于其厚度方向(即连接板1-6的内外方向)刚度。扭矩Mz实际作用等效于大小相等的一对力偶，假设该力偶两个作用力的方向平行于X轴，因此长度方向与X轴方向平行的内梁1-2、外梁1-5、连接板-6均看做刚性梁，而长度方向与Y轴方向平行的连接板1-6看做柔性梁，此时与Y轴方向平行的内梁1-2看成悬臂梁。在内梁1-2上形成应变敏感区域，因此组成应变电桥，进而可测出Mz。 [0022] 测量原理 [0023] 结合图3、图4和图5说明本发明的测量原理： [0024] 1、力/力矩测量原理 [0025] 本文设计的力矩传感器的变形量使用应变片来感知，通过惠斯通全桥将应变片的变形量(力矩传感器的变形量)转换为电压输出，如图3-7所示。设电桥各桥臂电阻分别为R1、R2、R3、R4，其中的任一个桥臂电阻都可以是应变片电阻。 [0026] 电桥的A、C为输入端，接直流电源，输入电压为UAC；而B、D为输出端，输出电压为UBD。下面分析当R1、R2、R3、R4变化时，输出电压UBD的大小。从ABC半个电桥来看，AC间的电压为UAC，流经R1的电流为 [0027] [0028] 由此得出R1两端的电压降为 [0029] [0030] 同理，R3两端的电压降为 [0031] [0032] 故可得到电桥输出电压为 [0033] [0034] 由公式(1.4)可知，要使电桥平衡，即要使电桥输出电压U0为零，则桥臂电阻必须满足 [0035] R1R4＝R2R3 (1.5)若电桥初始处于平衡状态，即满足公式(1.5)。当各桥臂电阻发生变化时，电桥就有输出电压。设各桥臂电阻相应发生了ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4的变化，则由公式(1.4)可计算得到电桥的输出电压为 [0036] [0037] 将公式(1.5)代入上式，且由于△Ri< [0039] 由于四个桥臂电阻都是应变片，它们的灵敏系数K均相同，则将关系式△R/R＝Kε代入上式，便可得到等臂电桥的输出电压为 [0040] [0041] 式中ε1、ε2、ε3、ε4分别为电阻应变片R1、R2、R3、R4所感受的应变。 [0042] 令 [0043] εd＝ε1-ε2-ε3+ε4 [0044] 则 [0045] [0046] εd——称为读数应变。则读数应变为 [0047] [0048] 分析公式(1.9)，可总结测量电桥具有以下基本特性： [0049] 1.两相邻桥臂电阻应变片所感受的应变，代数值相减； [0050] 2.两相对桥臂电阻应变片所感受的应变，代数值相加。 [0051] 在应变电测中，合理地利用电桥特性，可实现如下测量： [0052] 1.消除测量时环境温度变化引起的误差； [0053] 2.增加读数应变(εd)，提高测量灵敏度； [0054] 3.在复杂应力作用下，测出某一内力分量引起的应变。 [0055] 要实现电桥特性的合理利用，关键在于测量电桥的连接。应变片的粘贴位置如图6所示。 [0056] 32个应变片可以组成8个全桥，其中应变片21、22、31、32组成一个全桥用来测量切向力Fx；应变片19、20、25、26组成一个全桥用来测量切向力Fy；应变片1、2、11、12及7、8、13、14分别组成一个全桥用来测量轴向力Fz；应变片3、4、9、10组成一个全桥用来测量弯矩Mx；应变片5、6、15、16；组成一个全桥用来测量弯矩My；应变片17、18、27、28及23、24、 29、30分别组成一个全桥用来测量扭矩Mz。 [0057] 其中各个电桥的输出电压如下： [0058] [0059] [0060] [0061] [0062] [0063] [0064] [0065] [0067] 2、加速度测量原理 [0068] 对于一般的旋转刚体，在惯性坐标系Σ0和载体坐标系Σb中存在有一旋转刚体，0 0 对于刚体上的固定点i，图中 pi和 pb分别表示的是地心(惯性坐标系原点)指向点i和 0 载体坐标系的向量，ri为载体坐标系原点指向点i的向量在惯性坐标系下表示。根据哥氏定理，该点的速度为 [0069]0 [0071] 对(2.1)取微分可得 [0072] [0073] 其中 为科式加速度，是由载体坐标系的转动，牵连运动和相对运动的相互影响造成的，wb×(wb×ri)为向心加速度， 为切向加速度。 [0074] 由于点i在刚体上是固定点，即 所以(2.2)可以写成 [0075] [0076] 点i在惯性系下表示为 [0077] pi＝pb+ri (2.4) [0078] 对(2.4)做二阶微分可得 [0079] [0080] 将(2.3)代入到(2.5)可得 [0081] [0082] 假设bT0为惯性系到载体坐标系的旋转矩阵，由于 oui表示的是敏感轴的安装方向，由于加速度计的输出值为作用在加速度计上的单位质量对应的惯性力(比力specific force)，所以加速度计的输出为 [0083] [0084] 其中： [0085] [0086] Ri＝(ri×)T [0087] ui＝[uix uiy uiz] (2.8) [0088] [0089] 令wb的反对称矩阵(wb×)为 [0090] [0091] 那么 [0092] [0093] 则假设存在线加速度计构型矩阵J1＝[u1 u2 … uN]和角加速度构型矩阵当有N个敏感轴时(2.7)可以写成 [0094] [0095] 令 J为构型矩阵。如果想要求出六维加速度，只要满足矩阵J可逆。也就是说rank(J)＝6。这样，加速度计的数量必须满足N≥6。因此，想要完整的计算出六维加速度，至少需要六个单轴加速度计，通过合理的设计加速度计的位置和敏感轴方向，使得构型矩阵J可逆。 [0096] 相对于六加速度计、九加速度计和十二加速度计来说，十六加速度计圆柱形布置的 以及GDOP指标的改善较大，能够大幅度的提高六维加速度的计算精度。而且加速度计敏感方向均与载体坐标系坐标轴平行，有利于无陀螺惯性测量组合的工程实现，除此之外，十六加速度计圆柱形构型加工简单，对于具有长圆柱形结构的物体设置可以不需要加工机械支撑件，仅需要安装在圆柱形外壳即可，安装难度容易，且具有较多的冗余量，可以提高无陀螺惯性测量组合的可靠性。 [0097] 为线加速度几何精度影响因子，表示线加速度计的安装误差对载体线加速度测量精度的影响程度， 为角加速度几何精度影响因子，表示线加速度计的安装误差对载体角加速度测量精度的影响程度，GDOP(几何精度因子)在卫星导航中用于表示卫星的分布误差对地面导航精度的影响，在这里用来表示线加速度计的安装误差对于加速度求解结果的影响程度。 [0098] 本发明中，选择单轴加速度计的数量N＝16，也就是采用8个两轴加速度计来实现6维加速度的测量。利用所述8个两轴加速度计测得待测机器人末端在载体坐标系下的线加速度和角加速度的具体方法为： [0099] [0100] [0101] 各个加速度传感器的输出值为： [0102] [0103] [0104] [0105] [0106] [0107] [0108] [0109] [0110] [0111] [0112] [0113] [0114] [0115] [0116] [0117] [0118] 经解算得到： [0119] [0120] [0121] [0122] [0123] [0124] [0125] [0126] [0127] [0128] [0129] [0130] 由此可以看出，轴向距离L仅对x轴和y轴的角加速度有影响，而传感器的分布圆半径R影响x轴、y轴和z轴的角加速度。 |
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