基于应变片阵列的机器人变刚度关节力矩传感器研究.pdf

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1、基于应变片阵列的机器人变刚度关节力矩传感器研究王士浩，查富生，尹鹏，王鹏飞，李满天(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001)ResearchofTorqueSensorforRobotVariableStiffnessJointonStrainGaugeArrayWANGShi—hao，ZHAFu—sheng，YINPeng，WANGPeng—fei，LIMan—tian(StateKeyLaboratoryofRoboticandSystem，HarbinInstitut

2、eofTechnology，Harbin150001，China)摘要：设计了一种新型的机器人关节力矩传感angulardisplacementandtorquewithoutputvolt—器，主要用于获取关节处的力矩和转角信息，以此来age．Thedataisappliedtostaticcalibrationofthe计算关节刚度。传感器是由传递力矩的弹性体、旋sensorbytheleastsquaremethod．Bytheoutput转电位计和信号处理电路组成。弹性体通过结构参voltages

3、ignalofrotatingpotentiometerandthe数的设计与优化来提高灵敏度。信号处理电路一方differentialsignalamplifiertomeasuretheangular面用于对旋转电位计的输出电压信号进行滤波，另displacementandtorquewhichcanbeusedasthe一方面对由2×2应变片阵列组成的两组全桥电路controlsystem．进行放大和滤波处理。最后，通过对传感器进行加Keywords：torquesensor；elastomer；s

4、ignal载实验获得力矩、角位移与输出电压的关系，采用最processingcircuit；straingaugearray；staticcalibra—小二乘法对传感器进行静态标定。传感器输出的转tion角和力矩信息可作为控制系统的调控依据。关键词：力矩传感器；弹性体；信号处理电路；0引言应变片阵列；静态标定中图分类号：TP242力矩传感器用于足式机器人变刚度柔性关节系文献标识码：A统中的髋关节和膝关节处，对于变刚度关节的设计，文章编号：1001—2257(2014)03—0065—06确定关节在不同位

5、置处的刚度至关重要。而刚度无Abstract：Designsanewtorquesensorforro—法直接测量，需要通过关节转角和力矩间接获得，满botjoint，mainlyusedtOcapturetheinformationa—足此设计要求的关节力矩传感器便应运而生。关节bouttorqueandanglewhichisforcomputingstiff-力矩传感器的设计中，虽然国内外对敏感元件(弹性nessatjoint．Thesensorconsists’ofsensitivewheel体)

6、进行了大量设计与研究，但是由于应变梁结构的fortransmittingtorque，rotatingpotentiometerand复杂性，始终未能建立合理的数学模型来分析应变，只是通过有限元来优化设计，造成应变片粘贴位置signalprocessingcircuit．Inordertoimprovethe不合理，导致其灵敏度、线性度较差。因此，如何建sensitivityofsensitivewheel，wedesignandopti—立合理的数学模型来确定弹性体应变梁的参数将决mizethestru

7、ctureparameter．Signalprocessingcir—定传感器精度。cuitisnotonlyusedasafilterforoutputvoltage此外，对于应变的检测，目前还是以应变片组成signalofrotatingpotentiometer，butalsoasdiffer-的一组全桥电路为主，由于应变片使用过程中的易entialsignalamplifierfor2×2straingaugearray．Finally，throughtheanalysisoftheloading

8、experi—损性，一旦其中任何一个桥臂的应变片发生故障，将需要重新粘贴所有应变片，造成传感器的维护性和mentoftorquesensor，gettherelationshipbetween可靠性下降，严重影响工作效率。如何解决这一问收藕日期：2013—10—22题是提高传感器实用性的关键。鉴于关节力矩传感《机械与电子>2014(3)·65·于应变片阵列器受空间尺寸的限制，因此，电路板的设计必须要考S=KE=2×{(C1-E