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1、东南大学 硕士学位论文 新型机器人腕力传感器的研究 姓名：秦岗 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：曹效英 20040320 东南大学硕士学位论文 摘要 机器人腕力传感器是机器人完成接触性作业任务的保障，也是遥操作机器人完成远程作业任务的保 障。遥操作机器人需要通过腕力传感器检测机械手与：E ：j = 境的接触力并反馈作用于机器人手部。使操作者 产生“身临其境”的力觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制。本文研制了一种用于 M O T O M A N S V 3 X 机器人的新型机器人腕力传感器。它能同时检测三维空间中的全力信息，输出力分 量反馈给机器人控制系统，以控制
2、或调节机械手的运动，完成所要求的作业。 本文首先用有限单元法对腕力传感器的弹性体进行了结构静力分析和模态分析，计算了维阳J 耦合， 得到了固有频率，并对其结构设计的合理性做出了评价；设计组桥电路及前置放大电路，对腕力传感器 进行静态标定，得到了标定矩阵：用冲击响鹿法和阶跃响应法对腕力传感器进行了动态标定，计算出了 传感器的固有频率和阻尼比等动态性能指标：在动态标定的数据基础上，建立了传感器的动态数学模型， 分析其时频域特性，并对其进行了动态补偿。 关键间：腕力传感器有限元法静态标定动态标定动态特性 东南大学硕一h 学位论文 A b s t r a o t T h i sp a p e rp r
3、 e s e n t san e wk i n do fr o b o tm u l t i d i m e n s i o nw r i s tf o r c eS e n s o r , w h i c hc a np r o v i d e6 D f o r c e m o m e n tv e c t o rf o rc o n t r o l l e rb ym e a s u r i n gt h ef o r c e m o m e n to ft h ew r i s ti nr e a lt i m e I nt h i sp a p er ，a f i n i t ee l
4、 e m e n ta n a l y s i sf o rt h ee l a s t i cb o d yo ft h es e n s o ri sm a d ef i r s t l y T h es t r u c t u r ea n dm e a s u r e m e n t p r i n c i p l eo ft h e s e n s o rh a sb e e ns t u d i e dT h ep a p e rc a l c u l a t e saf i x e dq u a n t i t yo fs t a t i cc o u p l eu n d e
5、rs i x c o m p o n e n t s w i t ht h er e a s o n a b l ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o nm o d e l ，a n da p p r a i s e st h er a t i o n a l i t yo ft h e s t r u c t u r a ld e s i g nT h e nt h es e n s o ri sc a l i b r a t e da n dt h ec a l i b r a t i o nm a t r i xo fs e n s o
6、 ri sw o r k e do u t B yt h i sw a y , w ec a nl e a r nt h er e l a t i o nb e t w e e ns t r e n g t hi n p u ts i g n a la n dv o l t a g eo u t p u ts i g n a l I no r d e rt os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h es e n s o Las e r i e so fi m p u l s ee x p e r i m e
7、 n t sa n ds t e p e x p e r i m e n t sa r ed o n eo nt h es t a t i c c a l i b r a t i o nd e v i c e F r o mt h er e s p o n s ec 1 L r v c ，t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c ei n d e x e s a r eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dd a m p i n gr a t i o
8、 O nt h e b a s i so fd y n a m i cc a l i b r a t i o nd a t a ，i t sd y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e d B e c a u s et h e d a m p i n gr a t i o o ft h es e n s o ri sl o w ，ad y n a m i cc o m p e n s a t e dd i g i t a lf i l t e ri sd e s i g n e d ，w h i c h s h
9、o r t e n st h ed y n a m i cr e s p o n s et i m eo fw r i s tf o r c e s e n s o ra n dw i d e n st h ew o r kb a n d w i d t h e v i d e n t l y K e y w o r d s ： W r i s tF o r c eS e n s o r F i n i t eE l e m e n tM e t h o d S t a t i cC a l i b r a t i o n D y n a m i c C a l i b r a t i o n
10、 D y n a m i c C h a r a c t e r i s t i c s 查堕奎兰堡：! = ：兰垡堡苎。 学位论文独创声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名泰夤 嘲2 0 0 4 3 东南大学碗J 一学位论文 关于学位论文使用授权说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送
11、交学位论文的复印件和电子文 档可醴采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本入电子文档薛内容和纸质论文的内容楣一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查N S n 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签 名压煞一名：蕉独黏舭。0 4 3 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 当前，机器人的发展已进入智能机器人时代。智能机器人虽重要的特征之一就是配各有能够将蒯围 环境各种信息及时反馈给机器人控制系统的较为齐全的传感器，机器人腕力传感器就是一类重要的机器 人传感器。随着工业机器人和遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的机器
12、人传感器，而机器人腕力传 感器则是机器人完成接触性作业任务的保障，也是遥操作机器人完成远程作业任务的保障。遥操作机器 人需要通过腕力传感器检测机械手与环境的接触力并反馈作用子机器人手部，使操作者产生“身临其境” 的力觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制。 国外早在七 年代初期就已经将腕力传感器应用于机器人中，美国的L o r d 公司、J R 3 公司和日本 的口立公司等都有产品供应。国内最典型的产品是由中科院合肥智能所、东南大学和哈尔滨工业大学在 国家高技术“八六三”项目资助下完成的S A F M S 型系列传感器。这些传感器产品从原理上讲，均采用应 变测力方法在一些机器人领域已经得到
13、了应用。但是这类传感器的尺寸较大，重量较重，当它们安装 在机器人上随机器人运动的过程中，机器手运动速度加快以后，其各部分产生的惯性力也比较大。对于 力觉传感器收到的信号来讲，这种惯性力作为噪声混入的比重也增大，不将它分离出来，实现机器人的 高速运动是4 i 可能的。虽然有一些文献提到了分离惯性力的方法。还目前没有什么很有效的方法能在实 际操作中分离惯性力。因此，为减小惯性力，从减小腕力传感器的尺寸和重量上着手应是一种比较有效 的方法。 1 手爪法兰盘2 外壳3 G I 线孔 图1l 新型机器人腕力传感器外形图 奉课题来源于国家八六三高技术项目远程操作机器人的智能控制技术及其手控器研究，该项目
14、构建了基于1 三控器、汁算机网络和M O T O M A N S V 3 X 型T 业机器人的具有力觉临场感的遥控机器人实验平 台完成了远程的抓取、移动和放置等典型作业任务。浚实验平台中检测机械手与环境的接触力并反 馈作用于机器人于部的任务由本课题研制的一种新捌机器人腕力传感器完成。该传感器外形如图1 1 所示。传感器外壳直径6 8 m m ，高度3 6 m m ，整个传感器净重5 0 0 9 。该传感器采用应变测力方式，弹性体 为十字梁结构( 见图21 ) 。它安装在机器人腕部与机器人手爪之问，能同时检测三维空间中的全力信息， 输出力分景反馈给机器人控制系统，以控制或调节舸l 械手的运动，完
15、成所要求的作业。与S A P M S 型腕力 传感器相比尺寸和总量均大为减小，而精度并未降低，完全满足机器人力控制的需要。 东南大学硕士学位论文 该传感器达到的主要技术指标如下： 量程：力O 2 k g ，力矩0 l O k g m m 精度：1 F S ： 分辨率：0 2 F S 。 1 2 研究意义 图1 2T 作中晌腕力传感器 机器人腕力传感器的弹性体是应变式传感器的核心部件，国内外腕力传感器的发展多体现在弹性体 结构的多样化上，为了进一步提高传感器的性能，以满足不断发展的机器人力控制的要求，全面深入的 认识弹性体晌力学行为有十分迫切的必要。近年来，刈弹性体的力学行为( 主要是静力特性)
16、 开展了一些 研究T 作，但在结构简化、模型建立等方面仍有值得商榷的地方。对于多维腕力传感器，山于转换原理、 机械结构、加工精度和贴片等工艺的因素，传感器备通道之间存在耦合，这种耦合很难用经典的解析法 描述，而采用实验的方法常常会受到实验条件的限制为此，采用有限单元法进行结构分析、评价弹性 结构性能，己成为一种 一分有效的手段，也是进行传感器结构实用设计的重要环节。 腕力传感器是智能机器人中最重要的传感器之，作为力反馈控制系统中的检测元件要能迅速反 映力和力矢| ! 的变化，应具有良好的动态特性。腕力传感器动态特性的好坏极大地影响着机器人系统的整 体性能，因为如果腕力传感器的动态性能l ；佳，就无法快速、准确地反映被测力和力矩的变化，从而使 整个机器人系统4 i 能正常工作。而当前国内外生产的腕力传感器，其动态性能都难以满足机器人力控制 的要求，这是由于腕力传感器系统的阻尼比很小，自山振荡频率很低，空载时为几百赫兹，加载后可能 低到几十赫兹，冈此很难反映突变性力信号的作用
