機器人智能碰撞傳感器的設計與仿真*

林義忠, 黃冰鵬, 李 盛, 覃尚活, 姚建余

(廣西大學 機械工程學院,廣西 南寧 530004)

設計與制造

機器人智能碰撞傳感器的設計與仿真*

林義忠, 黃冰鵬, 李 盛, 覃尚活, 姚建余

(廣西大學機械工程學院,廣西南寧530004)

為了提高機器人手部發生觸碰時的安全防護性能,在觸碰的瞬間能實現急停,確保設備和人員的安全,設計了一種具有慣性檢測的電磁伺服型高靈敏度碰撞傳感器,主要采用“慣性感知+電磁伺服”的方式,動態剔除慣性力成分,使碰撞傳感器僅對碰撞力反應,提高了機器人手部的觸碰靈敏度。計算表明:碰撞觸發力的閾值由24.73 N降低到了12.88 N；相比傳統的碰撞傳感器,其靈敏度大幅提高,進一步提高了機器人的安全防護性能,具有一定的理論價值與工程應用價值。

機器人； 碰撞傳感器； 電磁伺服； 慣性感知

0 引 言

隨著機器人應用領域不斷擴展,對機器人安全防護性要求越來越高；尤其是在人機交互領域,安全性是首要的前提問題[1,2]。目前,用于機器人的防碰撞安全措施均無法確保機器人完全規避碰撞,在機器人實際工作中,難免存在一些柔性碰撞或者非常規碰撞。因此,外部碰撞傳感器是機器人安全防護的最后一道防線,可以使機器人在發生碰撞的瞬間緊急停止,確保設備和人員的安全。

目前,機器人采用的外部碰撞傳感器主要有:開關型碰撞傳感器[3],無法克服手部及工具的慣性力,靈敏度較低;腕力傳感器[4],碰撞時無法產生變形和緩沖,不能夠形成較好的保護;皮膚感知碰撞傳感器[5],材料強度低、抗干擾能力差,易產生誤報信號;通過驅動電流檢測方式判斷碰撞的發生[6],該方法理論上可行,且無需加裝傳感器,但判斷的準確率不高。

本文提出了一種機器人碰撞檢測的新方法——電磁伺服型高靈敏度智能碰撞檢測,可檢測出機器人的微小碰撞,大幅度提高了機器人的安全系數。

1 智能碰撞傳感器工作原理

碰撞傳感器的電氣系統主要由加速度傳感器模塊、數/模轉換器模塊、伺服電磁鐵模塊、控制器模塊和驅動模塊組成。其工作原理是:加速度傳感器模塊檢測機器人末端的加速度并將加速度傳給控制器模塊→經過控制器處理輸出給數/模轉換器→數/模轉換器將相應的數字信號轉換成模擬信號并傳給驅動模塊→驅動模塊輸出伺服電磁鐵模塊需要的電流→伺服電磁鐵輸出電磁吸力平衡機械手的慣性力。由于伺服電磁鐵的電磁吸力與加速度成比例關系,而機械手的慣性力與加速度也成正比關系,因此,可通過控制器的調節,使伺服電磁鐵的電磁吸力與機械手的慣性力相平衡。

2 碰撞傳感器結構與靈敏度分析

碰撞傳感器主要由殼體、底板、輸入軸、導力塊、壓力彈簧、滾珠、楔形機構及觸點開關組成[3]。因所設計的碰撞傳感器電磁吸力根據機器人末端加速度的變化而變化,故在碰撞傳感器內加入伺服電磁鐵模塊和加速度傳感器模塊,并將楔形機構及觸點開關設計成接觸開關的形式。傳感器的內部結構如圖1所示。

圖1 碰撞傳感器內部結構

彈簧安裝在底板與導力塊之間,其預緊力的大小與焊槍的重量有關。其預緊力由式(1)確定

F′×s=G×l

(1)

式中F′為彈簧的預緊力,N；s為彈簧軸線到滾珠中心的距離,取25.5mm；G為焊槍的重力,N；l為焊槍等效重力作用點到滾珠中心的距離,依據焊槍的形狀以及其質量分布,取100mm。經計算,F′=31N。

由圖1知,加速度傳感器模塊處于彈簧的內部,因此彈簧的中徑D不易過小。取D=40mm。取彈簧旋繞比C=10,彈簧與導套間的間隙為2mm,以及彈簧的鋼絲線徑d=4mm。一般地,彈簧的螺旋升角α取5°～9°,根據彈簧升角公式[7]

(2)

式中 彈簧節距p=12mm。計算得到α=5.5°,符合彈簧升角要求。取彈簧的切變模量為8300MPa,則彈簧的彈性剛度為

(3)

則碰撞傳感器所用彈簧的預緊壓縮量為

(4)

傳統的碰撞傳感器,由于沒有伺服電磁鐵提供的吸力,故其彈簧的預緊力需要考慮機器人變速時所產生的慣性力對彈簧與接觸開關的影響。經計算,焊槍的最大慣性力為11.85N,考慮焊槍如圖2所示的形式發生碰撞。假設彈簧的形變增加2mm時,碰撞傳感器的接觸開關斷開。

圖2 碰撞示意

傳統碰撞傳感器在碰撞時需要克服焊槍的重力以及彈簧的預緊力,才能擠壓彈簧帶動接觸開關斷開,其碰撞力為

(5)

本文設計的智能碰撞傳感器,由于加入了加速度傳感器模塊以及伺服電磁鐵模塊,剔除了慣性力成分,其碰撞力為

(6)

對比式(5)和式(6)可知,本文設計的智能碰撞傳感器靈敏度大幅提高。

3 電磁伺服模塊設計與仿真

根據麥克斯韋電磁學可知電磁吸力公式[8]為

(7)

式中F為電磁吸力,J/cm；B為氣隙的磁感應強度,Wb/cm2；S為伺服電磁鐵磁極的表面積,cm2；μ0為空氣導磁系數,H/cm,μ0=1.25×10-4H/cm。磁路的模型如圖3。

圖3 磁路模型

根據磁路歐姆定律

IW=Φm×(R0+R1+R2)×10-8

(8)

式中IW為磁路的磁動勢(I為線圈的電流,W為線圈的匝數)；Φm為磁路的磁通;R0為空氣的磁阻;R1為內外圓環的總磁阻;R2為銜鐵的磁阻。

由于空氣的磁阻較銜鐵與鐵芯大得多,因此,考慮磁路的磁通全部消耗在空氣氣隙上。考慮漏磁通等其他因素的影響,磁通為

Φ0=IW×G0×108(1-5%)

(9)

式中G0為氣隙的磁導,其表達式為

(10)

式中δ為氣隙長度；S1為伺服電磁鐵外圓環相對截面積；S2為內圓環相對截面積。由式(7)、式(9)與式(10)得

(11)

式中D1為伺服電磁鐵外圓環大徑；D2為外圓環小徑；D3為內圓環大徑；D4為內圓環小徑。

將δ=0.5mm,D1=40mm,D2=37mm,D3=20mm,D4=15mm,F=46.5N 代入式(11)并整理得IW=424A·匝。取W=2050匝,則線圈中的電流I=0.207A。

根據所得的伺服電磁鐵參數在Maxwell中建立模型,并對其進行電磁吸力仿真。其電磁吸力如圖4,縱軸為電磁吸力,N；橫軸為時間,ms。

圖4 電磁吸力隨時間變化

由圖4知,仿真的最大電磁吸力靠近46.5N。因此,所設計的伺服電磁鐵參數合理。

4 智能碰撞傳感器控制

根據智能碰撞傳感器的工作原理,所需的電氣元件包括:加速度傳感器模塊、控制器模塊、數/模轉換模塊以及驅動模塊。利用加速度傳感器測量機器人末端的加速度,通過控制器模塊實現加速度信號的傳遞和處理。數/模轉換模塊將處理過的數字信號轉換成模擬信號并傳送至驅動模塊,最后由驅動模塊輸出與加速度信號對應的電流。信號間的傳輸流程如圖5。

圖5 信號傳遞流程

本文采用GY—2913軸加速度傳感器模塊[9],分辨率高,輸出格式為16位補碼形式。數/模轉換器采用集成PCF8591轉換芯片的YL—40轉換模塊,通過該芯片的I2C串口控制數/模轉換器的輸入數字量,即可控制其模擬輸出量,從而控制驅動器的輸出電流。智能碰撞傳感器需要采集機器人末端的加速度,加速度信號的傳輸與轉換。因此控制程序分為3部分:加速度信號采集程序、信號傳輸程序、信號轉換程序。

5 智能碰撞傳感器實驗

智能碰撞傳感器如圖6。可以看到,接觸開關的一個觸點安裝在碰撞傳感器的側面,另一觸點安裝在導力塊上,隨導力塊運動。當碰撞力大于某一設定值時,接觸開關斷開,機器人停止工作。

圖6 碰撞傳感器實物

伺服電磁鐵作為智能碰撞傳感器的關鍵部件,其性能決定了碰撞傳感器工作的可靠性。現對伺服電磁鐵的電磁吸力進行實驗,相應的數據如表1。可知:電磁吸力隨電流變化而變化,電磁吸力最大值與理論所需的最大值相差不大,因此,伺服電磁鐵符合要求。

表1 電磁吸力與電流關系表

將碰撞傳感器安裝在機器人末端,檢測其在不同方位下,使接觸開關斷開所需的碰撞力。所得的碰撞力趨勢如圖7。可知,離滾珠中心越遠,使接觸開關斷開的碰撞力越小。此外,不同方向在同一位置的碰撞力也不盡相同,這與接觸開關的安裝位置和碰撞傳感器加工精度有關。

圖7 碰撞力趨勢

分別使智能碰撞傳感器的輸入軸處于鉛直和水平方向,檢測接觸開關在機器人突然啟動或停止時是否斷開。當輸入軸處于鉛直方向時,加速度最大值為0.405gn(1gn=10 m/s2,下同),接觸開關未斷開；當輸入軸處于水平方向時,加速度最大值為0.295gn,接觸開關未斷開。因此,該智能碰撞傳感器在機器人突然啟動或停止時能可靠工作。

6 結束語

采用“慣性感知+電磁伺服”的方式,動態剔除慣性力成分,使碰撞傳感器只對碰撞力做出反應,相對傳統的碰撞傳感器,其靈敏度得到提高的同時也保證了設備和人員安全；在機器人突然起、停而造成慣性力突變時,傳感器不會發生誤判反應；為機器人防碰撞領域的研究提供了一定參考價值。

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Designandsimulationofintelligentcollisionsensorforrobot*

LIN Yi-zhong, HUANG Bing-peng, LI Sheng, QIN Shang-huo, YAO Jian-yu

(CollegeofMechanicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

In order to improve safety protection performance of robot hand when the collision happens,at the moment of the touch can achieve emergency stop,to ensure the safety of equipment and personnel,design an electromagnetic servo type high sensitivity impact sensor with inertial measurement,mainly uses the "inertia perception+electromagnetic servo"mode,dynamically eliminate inertial force components,which make collision sensor only responses to the collision force,improve the touch sensitivity of robot hand.Calculation result shows that the collision force is reduced from24.73N to12.88N;compared to traditional collision sensor,its sensitivity is greatly improved.Further improve the safety protection performance of the robot,and has a certain theoretical value and engineering application value.

robot; collision sensor; electromagnetic servo;inertia perception

2016—10—28

廣西科技攻關項目(1348012—10)

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0070—03

TH 122

A

1000—9787(2017)10—0070—03

林義忠(1964-),男,工學博士,教授,研究方向為工業機器人技術、機電計算機控制,E—mail:xautlyz@163.com。