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六轴力/力矩传感器研制的一个智能机器人抓手
Joong-Jo Park, Gab-Soon Kim
摘要
本文介绍了智能机器人抓手六轴力/力矩传感器的研制。智能机器人的抓手是否应该检测Fx (x方向力)，Fy和Fz在抓取方向和重力方向上的力，从而安全抓取未知的对象。此外，它还应该检测力矩Mx (x方向矩)，My和Mz，以准确地感知物体在其中的位置触手。因此，智能机器人的抓手应该由能够测量力的六轴力/力矩传感器组成Fx Fy Fz，力矩Mx My Mz，同时。但夹具大多是由一个只能检测到的力传感器制成的放在单方面的力。本文采用平行板对智能机器人夹持器的六轴力/力矩传感器进行了梁建模(PPBs)，设计和制造。
- 介绍
智能机器人的六轴力/力矩传感器夹持器近年来得到了广泛的研究。Ceccarelli等人，[1]制造机器人的手指与一个力传感器，能检测抓取方向的力，执行抓取未知物体的位置和力度控制。Castro等人用Fx制作颚式夹持器并利用该传感器进行了力的控制。Tlale[3]等人利用该触点制作了智能夹持器传感器和控制电路。以上的夹子不仅不能稳定地抓住一个未知的东西物体，还能准确地感知物体的位置在抓钳中的位置，因为他们无法同时检测力Fx, Fy,Fz，力矩Mx ,My ,Mz。智能机器人的抓手需要检测里面的力为了安全抓取未知物体，还需要检测抓取方向和重力方向的力矩，以准确感知物体的位置物体在夹持器中。因此，机器人的抓手应该是由6轴力/力矩传感器组成，可检测力Fx, Fy, Fz，力矩Mx, My, Mz，并同时进行。BL autotec[4]开发了多种6轴力/扭矩传感器，但大多数都是另一个分辨率在每个传感器组件中，例如模型F/T5/50(力传感器容量:5kgf，扭矩容量传感器:50 kgf cm)分辨率为5 gf、5 gf、15 gf，Fx, Fy, Fz传感器和Mx中的30 gf, 30 gf和30 gf，分别是My、Mz传感器和北约1.2/1型分别有0.8 gf、0.8 gf、2.5 gf、0.5 gf、0.5 gf和0.7 gf。它的意思是，额定输出时的额定载荷(最大的力和力矩)作用于6-轴向力/力矩传感器各不相同也就是说，各组分传感器的灵敏度各不相同。日索电气工程有限公司还开发了多分量测压元件，它也有具有与BLAUTOTEC六轴传感器相同的特点。它要求传感器的各个组成部分六轴力/扭矩传感器一般得到相同的额定输出准确地检测力和力矩。而且，这是必要的每个传感器具有相同容量的结构(如，Fx = Fy = Fz = 50N, Mx = My = Mz = 5Nm)或不同容量(ex, Fx = Fy = 50N, Fz = 60N, Mx = My = 3Nm，Mz = 5Nm)在各力分量和弯矩分量中，根据不同用途的要求而设计智能机器人的钳子。但由于传感器的结构(传感元件)比较复杂，因此很难实现。因此,六轴力/力矩传感器是一种新型的传感器具有相同传感器结构的建模和不同的能力。6轴力/力矩展开文献[6-11]中的传感器作为智能传感器是不合适的机器人的夹持器在精度(干涉误差)和大小。因此，有必要发展六轴力/力矩具有与每个传感器相同的和的结构的传感器不同的容量和低干扰误差的智能机器人的钳子。
本文采用六轴力/力矩传感器开发了一种智能机器人夹持器，用于安全抓取未知物体，准确感知物体在夹持器中的位置。六轴力/力矩传感器可以检测力Fx, Fy和Fz(每个最大容量是50 N)，力矩Mx, My和Mz(每个)新模型采用平行板梁(PPBs)同时建模，并进行了设计和制作。最后，对所制零件进行了性能测试执行6轴力/力矩传感器的结构新建立的六轴力/力矩传感器，可按相同容量或不同容量进行不同设计在每个力分量和力矩分量中。
- 计算机器人爪的力和位置
为了安全准确地把握未知物体感知物体在夹持器中的位置，计算重力方向的方程和长度分量lx, ly, lz在x, y, z方向上应该是派生的。图1所示为未知物体与牵引机器人夹持器的不同笛卡尔坐标。夹持器和未知物体的笛卡尔坐标是用x y z 表示；x，y，z分别为坐标系。力向量Fmacr;未知对象的xy,z框架,和力向量Fmacr;爪的x, y, z的框架分别表示。
Fx,Fy,Fz是每个x中的力分量y,z方向,macr;ax,macr;y,macr;z是每个x中的单位向量y,z方向，Fx, Fy, Fz是x, y, z中的力分量方向,macr;ax,macr;ay,macr;az的单位向量x, y, z方向,Fk=F2x F2y F2z是力作用于六轴力传感器，ak为单位力方向上的向量。最后,力向量Fmacr;=minus;mgamacr;x,Fx =minus;mg,m是一个未知的质量物体g是重力加速度。因为六轴传感器测量的重量未知对象,力向量Fmacr;。
x (3)由式(3)可以计算出未知物体的重量mg，力Fx为实测值来自Fx传感器，而Fy和Fz的力来自Fy和Fz传感器。向量长度macr;l的一个未知的对象,和时刻向量Mmacr;组件在x, y, z框架。
其中lx ly lz是x y z中的长度分量方向，Mx, My, Mz是测量值分别是Mx, My和Mz传感器。
定义时刻向量Mmacr;macr;长度l Fmacr;积,时刻向量Mmacr;,目前组件Mx, My和Mz可以分别表示。
其中Mx My Mz是x y中的力矩分量和z方向。因此，物体在夹持器中的位置，即，从6轴的中心点(O)开始的距离长度力/力矩传感器到物体的接触点(P)和六轴力/力矩传感器lx, ly和lz在x, y和z方向可以用Eqs来计算。(8)- c (8)
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六轴机器人的手指力/力矩传感器
- 传感器建模
图2为新建模的6轴结构力/力矩传感器，可检测力Fx, Fy，Fz，力矩Mx, My和Mz代表智能机器人的夹持系统。6轴的传感元件力/力矩传感器由固定E块部分组成两个带有螺丝的传感器。一个是五轴力/力矩传感器由Fx、Fy、Fz传感器组成，Mx和传感器，另一个是Mz传感器。块A、B、C、D固定在机器人抓手的框架上用螺丝固定。Fx传感器和My传感器的传感元件请问Fy传感器和Mx传感器的ppb1和2，其中Fz传感器为ppb5, Fz传感器为ppb3, Fz传感器为ppb5Mx传感器为ppb6和ppb7。ppb1、2、3、4组成两个宽度为b1的板梁，高度分别为t1和t2l1的长度，以及从中心线到终点的距离在d1、d2、d3、d4梁中，ppb5的梁与b2、t2、l2、d5、d6的梁相同，ppb6、7的梁与b3的梁相同，分别是t3 l3 d7 d8。如图2所示，ppb1 - 7在x轴，y轴和z轴上是对称的。力矩作用于板梁位于的较低的荷载传递块A和B下部，上部为传力块C、D它位于6轴力/力矩的上半部分传感器。
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理论分析
- 在外加力Fx或Fy下
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理论分析
图3为板梁的自由体图Fx传感器或Fy传感器在Fx或Fy力作用下，1和2在纵轴(x轴)上对称板梁1和2在水平轴(z轴)上对称，板梁3和板梁4也是对称的在横轴上。因此，方程分析的上表面和下表面产生应变板梁1，这些可以应用于板梁2，3和4。力作用下的方程可以应用于Fy传感器的ppb3和4，因为ppb1 2 3 4是结构也是一样。当力Fx作用于PPB之间的block时分别推导出在z = 0处，Ffxx作用于平板梁1沿x方向的力，以及力矩Mfxy作用于板梁1沿y方向在点O处为由力矩平衡条件Mo = 0导出。任意点z处的力矩Mz可以用力Ffxx和力矩Mfxy
Mz = Fx4x minus; l12 (9)
用公式推导了板梁1表面的额定应变分析方程。(1)弯曲方程ε= Mz / EZ1p。
在εFxminus;U的上表面产生的压力，每个板梁1,εFxminus;L是在产生的残余应力在各板梁下表面。
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- 在Fz力的作用下
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图4为板梁的自由体图对于Fz传感器下的力Fz。ppb5由板梁5和6，它们是对称的横轴(y轴)，大小相同。因此,在上部推导了应变分析方程以及板梁5的下表面，这些可能是适用于板梁6。当力Fz作用于下板时，将FFzz力沿z方向作用于板梁5沿y方向作用于板梁5上的力矩MFzy为导出了力平衡条件的方程Fz = 0，力矩平衡条件Mo = 0为派生的。旋转角phi;和垂直位移v可以用导出的方程计算。
在平板梁5上任意一点x处的力矩Mx。
额定压力的方程分析板梁的表面5使用弯曲方程推导。
在εFzminus;U的上表面产生的压力每个板梁5,εFzminus;L是在产生应力的5板梁下表面.
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- 在作用力矩Mx或My或Mz下
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图5为板梁的自由体图对于Mx传感器或My传感器或下面的Mz传感器Mx或My或Mz的时刻。ppb3和4是对称的纵轴为(y轴)，板梁7、8为对称于水平轴(z轴)，也对称于平板梁9和梁10在水平轴(z轴)上对称。由此导出了应变分析方程板梁7的上表面和下表面，以及这些可适用于板梁8、9、10。方程根据力矩Mx可以应用于ppb1和ppb2我的传感器和ppb6和ppb7用于Mz传感器，因为这些PPBs在结构上是一样的。当力矩Mx作用于块中心时点P，作用于板梁7上的力FMxz沿z方向，作用于板梁7上的力FMxy沿y方向，力矩MMxx作用于板梁7在使用垂直位移方向上推导v和旋转角度theta;的终点z = 0板梁7。将这些方程代入导出式弯矩平衡条件方程MP = 0 。中心旋转角度theta;点P的块在PPB 3和4之间可以表示为
额定压力的方程分析，板梁的表面7使用弯曲方程推导ε= M / EZ1p
张力和压缩应变方程ε= F / A1E,
在εMxminus;U的上表面产生的压力吗每个板梁7,εMxminus;L是在产生的应力各板梁下表面7。
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- 每个传感器的固有频率
摘要针对六轴力/力矩传感器的动态特性，考虑其固有频率、平移刚度和扭转刚度的影响，设计了六轴力/力矩传感器的力Fx作用下的平动刚度方程，转换方式Fz kF = F /delta;,这下的扭转刚度时刻Mx, Mz公里= M /theta;。F是作用力,delta;是位移,M是应用的时刻,theta;是旋转角。用(10)kF = F /delta;,方程力作用下传感器的平动刚度F。
用(12)kF = F /delta;,方程传感器在Fz力作用下的平动刚度可以被推导出。
用(15)公里= M /theta;,方程传感器在力矩Mx或下的扭转刚度My或Mz可以导出。
3.4 各传感器传感元件的设计
各传感器在6轴上的传感元件(PPBs)力/力矩传感器设计具有高平动性和扭转刚度，以及低干扰误差。各传感器的设计变量为额定容量、额定功率应变，板梁的宽度，长度，高度，从中心线到光束末端的距离，应变计的位置应考虑应变的大小[5]。六轴力/力矩设计变量传感器确定如下:
- Fx、Fy、Fz传感器的额定容量为分别在50N处，和Mx, My处考虑Mz传感器分别为5nm智能机器人抓取力的大小。
- 各传感器的额定应变约为1000m/m(约0.5 mV/V)考虑到每个传感器的额定输出和灵敏度相同。
- 各传感器应变片的连接位置是否确定在距板梁末端1.5 mm处在长度方向上，以及板梁的中心在宽度方向上考虑的尺寸采用应变式(1.52毫米times;2.54毫米)。
传感器元件的尺寸由将确定的变量代入方程。(10),(10 b),(14a)， (14b)， (16a)， (16b)， (17) - (19)表1分别给出了相同容量和不同容量的设计结果传感器在相同的额定应变(额定输出)。感测元件的尺寸在额定容量的Fx = Fy = Fz = 50n, Mx = My = Mz = 5nm如下:宽度b1、b2、b3分别为12mm、12mm、20mm;的长度l1、l2和l3分别为10mm、8mm和10mm;高度(厚度)t1, t1， t2和t3分别为1.1 mm、1.1 mm、1.3 mm和1.2毫米;距离d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8是12毫米，7.7毫米，28毫米，8.6毫米，10毫米，10毫米，10毫米，10毫米和分别为4.8 mm，如表1所示。Fx传感器的平动刚度是298 N/m, Fx传感器的平动刚度是298 N/m, Fz传感器的平动刚度是85 N/m，扭矩Mx传感器的刚度是644861 Nm, My传感器的刚度是644861 Nm为464866 Nm，对于Mz传感器为354816 Nm。如图所示表1为六轴力/力矩模型结构可同时设计各种额定容量的传感器额定应变(额定输出)。使用的材料是Al 2024-T351。
3.5 应变分析结果
图6为应变片的附着位置对于六轴力/力矩传感器。各传感器应变片的连接位置如下:外汇传感器为S1 S2 S3 S4 Fy传感器为S5 S6 S7 S8Fz传感器是S9 S10 S11 S12 Mx传感器是S13S14 S15 S16，我的传感器是S17 S18 S19 S20和Mz传感器是S21, S22, S23, S24。有必要进行分析应变计所测得的应变位于应变片的附着位置六轴力/力矩传感器。Fx, Fy, Fz, Mx和My传感器的应变量规附件位置为1.5 mm从板梁的端部向长度方向，并板梁的中心在宽度方向上。表2给出了各传感器的额定应变和各传感器的干涉误差计算结果方程式。(10a)， (10b)， (14a)， (14b)， (16a)和(16b)的每个传感器的全桥电路(油石桥电路)由每个传感器所选应变量构成。计算了系统的额定应变和
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资料编号：[2798]
