基于柔性导向机构的重力分量传感器开发_姜传星.pdf

2023 年第 5 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No 5基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(U20A6004，51905107，51875108);国家重点研发计划(2022YFB4701001);广东省自然科学基金项目(2019A1515012004)收稿日期:20221119基于柔性导向机构的重力分量传感器开发姜传星，江福，杨志军(广东工业大学，省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室，广东广州510006)摘要:现有机器人打磨重力补偿需要根据姿态来计算重力分量，主要方式是通过机器人的姿态计算或者姿态传感器，存在计算复杂或者成本高的弊端。文中提出一种基于柔性铰链导向机构的重力分量传感器，通过测量柔性铰链导向方向的变形，计算在不同位姿下的柔性铰链弹性力，与水平位置的读数相比，直接计算出重力分量。与重力角度传感器相比，不需要标定，还能计算出由于加速度引起的惯性力部分，重力补偿更加准确。关键词:机器人打磨;传感器;柔性铰链;重力分量中图分类号:TP274文献标识码:A文章编号:10021841(2023)05001504Development of Gravity Component Sensor Based on Flexible guiding MechanismJIANG Chuan-xing，JIANG Fu，YANG Zhi-jun(Guangdong University of Technology，State Key Laboratory of Precision Electronic ManufacturingTechnology and Equipment，Guangzhou 510006，China)Abstract:The gravity compensation for robot grinding needs to calculate the gravity component according to the position Themain way is through the robots attitude calculation or attitude sensor，which has the disadvantage of complicated calculation or highcost This paper proposed a gravity component sensor based on flexible hinge guiding mechanism By measuring the deformation ofthe flexible hinge in guiding direction，the elastic force of the flexible hinge in different positions can be calculated，and the gravitycomponent can be calculated compared with the elastic force in horizontal position Compared with the gravity angle sensor，it doesnot need calibration，can also calculate the factors caused by acceleration，so the gravity compensation is more accurateKeywords:robot grinding;sensor;flexible hinge;gravity component0引言打磨机器人因其柔性好，运动范围大，已广泛应用于航空装备、高铁内饰、汽车船舶制造、五金卫浴等领域1。根据机器人动力学介绍，在空间中对机械臂最大的干扰力为重力2。机器人臂在对抗重力时，载荷和手臂连杆部位的质量会产生重力力矩。为了减少机器臂在运动控制中受到重力力矩的影响，有必要通过重力补偿来提高执行机构的定位精度。根据能量利用的不同，重力补偿可分为被动重力补偿和主动重力补偿3。天津大学的宋轶民等选用定刚度螺旋拉簧为重力补偿元件，构造了静柔度半解析模型，大幅度降低了重力造成的机构末端的影响4。文献 5 研究了非零自由长度弹簧的腿部矫形器的重力平衡设计，提出了一种基于重量平衡机构的内凸轮设计。这2 种方法虽提高了能量效率和平滑的动态，但与此同时系统中增加了质量、惯性和体积。由于机械手尺寸的限制，这一方法在一些应用场合中受到了限制67。文献 8 利用在控制末端执行器的位置加装六维力传感器，得到在约束方向上接触力并结合末端位姿角进行计算，使机器人能够对接触力产生及时反馈，从而对控制电路所产生的力进行调整。此类传感器因价格昂贵，较难大规模使用。广东工业大学何伟崇利用加速度传感器测得装置前端重力，并且配合姿态传感器测得装置的轴线与水平面夹角，从而进行重力分解的计算9。华中科技大学的马文超利用陀螺仪对装置轴向方向上的角速度，通过积分来得到装置轴向方向和水平面之间的倾角，从而计算出重力的补偿值10。这 2 类方法需要多种传感器进行配合使用，多种信号因响应误差，会增加系统的速度响应。对此，本文提出了一种基于柔性铰链导向机构的重力分量传感器，利用双平行柔性铰链机构和全桥式应变片电路的组合来获取实际运动过程中机械手臂16Instrument Technique and SensorMay 2023所受到的重力，根据不同的运动角度来计算出重力分量，进而在机械手臂控制环节中进行重力补偿。工作原理是，当柔性铰链与重力方向平行时，2 组柔性铰链处于拉伸，另外2 组处于压缩状态，全桥电路刚好互相抵消，输出有效应变为 0。当柔性铰链水平时，受到的弯曲变形最大，为 90或者90情况，分别记为n。在其他位形情况下，重力在双平行柔性铰链组成的导向机构的分量为重力乘于当前应变值 n，无需先测量俯仰和偏摆 2 个角度再进行 2 个三角函数的乘积，可节省计算时间。另外，此方法还能测量用于加速引起的惯性力部分，比现有的重力补偿更加准确。实验结果表明:重力角度的数值计算与计算结果非常接近，最大误差为 2 5%。该传感器为机械臂的重力补偿提供新的配件选择，在有效地提高机械臂控制精度的同时，降低开发成本。1柔性铰链机构导向设计根据机器人力控重力补偿是要获得在导轨导向方向上的重力分量。现有的方法主要是通过角度传感器，获得偏摆和俯仰角度，然后通过2 次三角函数计算乘积得到重力分量。因此，重力传感器的本质是获得重力在导轨方向上的分量。从受力分析角度来看，传感器在导轨上的分量随着角度的变化，范围为(1，1)。比如，导轨与重力方向垂直时，这时候重力在导轨方向的分量为 0，当导轨与重力方向一致时，重力在导轨方向的分量为 1 或者1。为了实现上述效果，设计出双平行柔性铰链机构，每片柔性铰链上均贴一片应变片，组成全桥式电路(图 1)。当柔性铰链片与重力垂直时，柔性铰链在重力作用下呈最大的位移(图 1(b)，此时桥式应变片产生最大的输出。当柔性铰链与重心平行时，在重力作用下，上部柔性铰链产生拉伸变形，下部柔性铰链产生压缩变形(图 1(c)，此时桥式差分应变电流的值相互抵消，输出值最小。在任意位置，柔性铰链的受力可以分解为产生弯曲的力和产生拉压变形的力(图 1(d)，其中，产生弯曲的力为 mgsin，产生拉压的力为mgcos。由图 1(c)可知，产生拉压的力被桥式差分电路互相抵消，对输出值没有影响。因此，当导轨方向与重力方向成夹角在90范围内变化时，桥式应变电路的输出值会在11 之间变化。(a)柔性导向机构(b)重力作用下的变形图(c)拉压作用下的柔性铰链变形(d)任意角度下柔性铰链变形1框架;2柔性铰链片;3质量块;4应变片图 1柔性导向机构及变形模型第 5 期姜传星等:基于柔性导向机构的重力分量传感器开发171 1导向刚度影响柔性铰链工作性能的因素主要包括刚度、运动行程以及工作时的最大应力11。而导向机构最主要的性能体现就是刚度，由于弹片式柔性铰链是非线性变形，其拉伸力引起的刚度变化可通过以下公式进行计算:z=MzlEI，f=Fyl2EI，=Fxl2EI，uy=yl(1)fz=12664uy+1 20 10 1215uy(2)ux=12b212uy1 20 10 1215uy(3)式中:Mz为力矩;Fx、Fy分别为 x、y 方向上的力(此处是将力和位移无量纲化处理);E 为杨氏模量;I 为惯性矩;l 为柔性铰链的长度;为位移方向上的转角。导向端轴向位移(运动行程)x=0，转角=0，整理可得:f=(12+1 2)uy(4)z=(6+0 1)uy(5)=7 2b2u2y(6)将式(6)代入式(4)，可得:f=(12+8 64b2u2y)uy(7)z=(0 72b2u2y+6)uy(8)将式(7)和式(8)整理可得式(9)，其中 b=lt，柔性铰链的非线性刚度 K 为K=Fyy=12+8 65(yt)2EIl3(9)1 2导向机构的拉伸变形由于导向端轴向位移(运动行程)x=0，则 utx=uex。再考虑到导向机构因拉伸变形而导致的轴向位移，式(10)为由横向变形引起的轴向位移，而铰链的轴向位移为 0，正好与横向变形引起的位移相等，相互抵消，则此时的轴向力为公式(10)。uex=12 uy1 20 10 1215uy(10)=7 2b2u2y(11)因此可得到轴向拉伸变形为utx=0 6u2y(12)式中 utx为拉伸应变量，utx=xl。2应变片检测电路设计将电阻应变片粘贴在柔性铰链上，其中 1、2、3、4分布如图 2 所示，作为电桥的 4 个臂，通过导线接入 AD8226 仪表放大器，最后通过数模转换芯片得到电压。当柔性铰链发生形变时，应变片电阻发生变化，应变片电阻由电桥平衡时的 x变为 x+，这时通过读取电压 Ui，再根据 Ui与 的关系测出 与柔性铰链形变之间的关系，从而计算出柔性铰链的形变量。Ui=KsU4(12+34)(13)式中:Ks为灵敏系数;为应变片形变量。图 2应变片电路3传感器的标定根据传感器受力，选取90、0和 903 个方向获取传感器的 AD 值。测试得到以上角度的 AD 值分别为 796、965 和 1 134。90与 0的 AD 差值分别为169。说明 1 倍重力引起的变形为 169，记为 T。重力分量检测过程中，每隔 10，计算传感器的AD 值，记为 n。由重力分量计算式(14)，代入传感器标定的数据可得式(15):F=gsin(14)式中:F 为重力分量;g 为重力加速度;为计算的传感器角度。=asin(nn0)T(15)式中:n0为 0时的 AD 值;T 为 1 倍重力引起的变形量。将计算值与测量值均列入表 1。由表 1 可以看到，计算值与测量值之间的相对误差仅为 2 25%。计算方法简单，在计算重力分量时，可由式(16)得到重力补偿量，重力分量曲线如图 3 所示。f=mgnn0n90n0(16)式中:m 为传感器质量;n 为当前角度 AD 值;n90为18Instrument Technique and SensorMay 202390时的 AD 值。表 1每隔 10AD 计算值与测量值对比表角度/()AD 值差值计算角度/()角度误差/%907961699008079916679 191 017080615970 190 276081914659 760 405083612949 760 494085810739 281 80308828329 411 95209085719 711 44109353010 232 250965000109953010 232 25201 0225719 711 44301 0488329 411 95401 07310839 720 70501 09412949 760 49601 1101