面向人机协作的牵引式六维力传感器的研发

发布时间：2020-04-28 13:21

【摘要】：随着工业机器人智能化水平不断提高,基于力传感的人机协作也成为研究热点。其中,面向人机协作的机器人牵引式示教,由于其互动友好的特点,对未来的机器人示教技术发展具有革命性意义。然而如果在牵引式示教时机器人末端还存在负载,这时就无法直接对示教牵引力和机器人末端接触力进行解耦测量,因此机器人牵引式示教在工业上无法得到广泛应用。为了解决这个难题,本文设计了一种牵引式六维力传感器。该六维力传感器在牵引式直接示教时,能够从结构上解耦示教牵引力和机器人末端接触力。这样在机器人有工作负载的情况下,也可以实现人手牵引力的直接示教。牵引式六维力传感器主要设计研究工作如下:(1)设计了面向工业机器人的牵引力传感器系统,包括工业机器人平台、六维力弹性体、应变片组桥电路、数据采集卡硬件、数据采集软件以及数据处理算法。并介绍了传感器系统各组成的分工与作用。(2)根据不同传感器弹性体结构的利弊以及人手牵引式六维力的特点,设计了整体式全剪切六维力薄壁圆筒传感器作为牵引式六维力传感器的结构。进一步的,假设了整体式薄壁圆筒六维力弹性体的重要尺寸参数。在六维力作用下对弹性体结构做了力学应力分析。以弹性体的灵敏度要求和许用应力等为边界条件,得到弹性体的重要尺寸参数取值。创新的设计思路大大的降低了传感器前期尺寸设计难题,为薄壁圆筒弹性体的设计提出了一种行之有效的方法和准则。(3)建立了弹性敏感体的有限元模型。并根据六维力下弹性敏感体有限元模型的应力应变,分析传感器主要静态特性(灵敏度、维间耦合和线性度),得到了弹性敏感体灵敏度高、线性度好但存在较大维间耦合。为后续的贴片与组桥电路设计提供了依据。(4)设计了测量六路信号的应变片组及其贴片方位,确保了应变片组对所测力或力矩灵敏度最大。设计了六路信号应变片组的组桥电路,确保了其他五维力或力矩产生对测量本维信号的耦合影响理论为0。(5)设计了传感器标定实验,分析传感器实际静态特性满足了设计要求。最后根据最小二乘法测量多组数据计算出解耦矩阵,实现了六维传感器的解耦。
【图文】：

结构图,示教,弹性,接触力

只能在没有接触力的情况下进行示教，用[6-8]。式六维力传感器可以运用在机器人有工作负实现示教牵引力与工作接触力解耦测量，从而示教提供了新的测量方案。状器弹性敏感体结构研究现状感器研究发展，研究人员设计了有很多弹性敏梁结构、筒形结构以及并联结构等[9-12]。力传感器设计为积木式结构，该结构的弹性敏测量。图 1-1 为 SIR 公司设计的结构图。由于积误差非常大，测量的六维力滞后严重[13]。

比较图,竖梁,弹性,圆筒结构

图 1-2 十字横梁结构生设计了如图 1-3 所示的三垂直筋竖梁对竖直方向的力不敏感，并且存在比较图 1-3 三竖梁结构计了一种如图 1-4 所示的圆筒结构弹性点，灵敏度好，，测量精度高[16]。但是结接而成的圆筒弹性敏感体会出现对称性
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

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