機器人關節力矩標定實驗平臺的設計與研究

金 源，于 淼，田 漪，張 穎，崔建偉*

（1.東南大學 儀器科學與工程學院，南京 210000；2.江蘇省電力試驗研究院有限公司，南京 210000；3.國網江蘇省電力有限公司，南京 210000）

0 引言

協作型機器人因其良好的人機交互性，逐漸成為機器人研究領域的熱點[1,2]。良好的人機交互性要求機器人在人機協作的過程種能感知人與機器人的交互力，從而完成復雜多變的工作任務。為了提高協作機器人的力感知能力進而提高協作機器人的力控制能力，常需要對協作機器人的關節輸出力矩進行精密測量[3,4]。目前，大部分研究常使用模塊化關節力矩傳感器完成對力信息的感知[5,6]。但是這一方法由于增加了額外彈性構件，不僅使協作機器人的機械結構更為復雜，而且進一步加大了協作機器人的整體柔性，從而影響協作機器人的控制準度與精度。為了克服這一缺點，諧波減速器開始與力矩測量技術進行有機結合，利用諧波減速器自身結構所含有的彈性體，將傳統的只起到力矩傳動功能的諧波減速器改進成同時具有力矩傳動與力矩測量功能的諧波測力減速器[7,8]。該方案選擇諧波減速器內的柔輪作為測力彈性體，將柔輪變形量的大小與機器人關節輸出力矩的大小聯系起來，無需增加額外的機械構件，在不增加機械結構復雜性的同時，不引入額外的柔性變形，不降低協作機器人的整體剛度，從而不影響協作機器人的力——位置控制的精確度。然而目前，針對這種內含諧波測力減速器的機器人關節輸出力矩標定平臺研究存在一定空白，因而本文設計了一套機器人關節輸出力矩的標定實驗平臺。該標定實驗平臺在實現對機器人關節輸出力矩測量標定的同時，還可實現機器人關節力輸出特性的動態測量。

1 實驗平臺設計

1.1 實驗平臺整體設計方案

本實驗平臺主要由負載系統，采集系統和被測系統組成。其整體方案如圖1所示。負載系統為整個實驗平臺提供力矩匹配。磁粉制動器作為負載系統的主要負載來源，為實驗平臺提供基本的負載力矩。由于磁粉制動器的負載力矩通常較小，通過負載放大模塊將磁粉制動器提供的負載力矩進行放大，從而實現磁粉制動器較小負載力矩對機器人關節較大輸出力矩的匹配。被測系統主要由機器人待測關節和軟件控制模塊組成，其中機器人待測關節在軟件控制模塊驅動下輸出的力矩，是主要的被測對象。采集系統主要由標準力矩傳感器組成和數據采集與處理模塊組成。數據采集與處理模塊對標準力矩傳感器和機器人待測關節的力矩信息進行同步采集，從而完成對機器人待測關節輸出力矩的測量。

1.2 實驗平臺主體結構設計

實驗平臺的主體結構示意圖如圖2所示，研制的樣機實物圖如圖3所示。實驗平臺主體結構設計主要可分為負載系統主體結構設計、被測系統主體結構設計和采集系統主體設計這三大部分。

圖2 實驗平臺的主體結構示意圖

圖3 實驗平臺的實物圖

1.2.1 負載系統主體結構設計

負載系統的主體結構由聯軸器、減速器和磁粉制動器組成。磁粉制動器作為負載系統的主要負載來源，其產生的負載力矩與恒流源施加在磁粉制動器上的驅動電流成正比。根據磁粉制動器的特性曲線，調節驅動電流的大小，即可改變磁粉制動器的負載力矩的大小。若施加在磁粉制動器上的隨時間按規律變化，則實驗平臺的負載力矩為規律的動態力矩，從而可實現實驗平臺對機器人待測關節輸出力矩的動態測量與標定。聯軸器和減速器構成了負載系統的負載放大模塊，磁粉制動器提供的較小的負載力矩從減速器輸入軸輸入，輸出軸放大輸出至聯軸器，其放大倍數等于減速器的傳動比。經過減速器放大的負載力矩在聯軸器上與機器人待測關節的輸出力矩實現了力矩的1:1匹配。實驗平臺選用的磁粉制動器額定負載力矩為6N·m，通過采用不同傳動比的減速器，可以實現針對同一負載力矩不同的放大倍數，從而提高對機器人待測關節輸出力矩的測量范圍。當傳動比為10∶l時，能夠測量機器人關節輸出的最大力矩為60N·m；當減速比為50∶1時，能夠測量機器人關節輸出的最大力矩為300N·m。

整個實驗平臺的負載采用被動加載模式，待測關節輸出力矩傳遞至聯軸器上。根據作用力與反作用力原理，磁粉制動器將產生相應的負載力矩，其力矩大小在經過減速器的放大后與待測關節的輸出力矩相等。此時，由于磁粉制動器只處于被動運動狀態，并不產生主動的運動，從而避免由于負載主動運動而導致意外的傷害，也避免了由于主動運動的誤差性產生的額外力矩，非常有利于精密測量。除此之外，負載力矩的大小是由作用力與反作用力相等的原理產生，因而理論上與關節力矩相等，不會存在原理誤差。

1.2.2 被測系統主體結構設計

實驗平臺的被測系統主要由機器人待測關節組成。機器人待測關節在整個實驗平臺中不僅是原始動力的供給端也是關節輸出力矩的待測端。機器人待測關節的內部結構如圖4所示。關節步進電機安裝于機器人關節內，與機器人關節外殼固定連接。在結構設計上，由于關節步進電機的力矩輸出端與諧波測力減速器直接連接，不存在額外機械傳動機構，使得諧波測力減速器的傳動力矩與待測關節的輸出力矩為同值對等關系，因此使得實驗平臺具有更好的測量精度。除此之外，由于實驗平臺的負載采用被動加載模式，機器人待測關節在實驗時參照整個實驗平臺處于相對靜止狀態，可以有效避免機器人關節內部走線的纏繞問題。

圖4 機器人待測關節內部結構圖

1.2.3 采集系統主體設計

采集系統在硬件上主要由標準力矩傳感器和采集控制儀表組成。標準力矩傳感器采用雙法蘭結構，標準力矩傳感器的量程為200Nm，靈敏度為1.69mv/v，線性度為0.1% F.S.。在結構上，標準力矩傳感器的一端固定在支架板上，另一端則通過法蘭盤與機器人待測關節外殼相連。因此，從標準力矩傳感器上能直接觀測到待測機器人關節的輸出力矩，不存在額外傳動機構，有利于提高測量精度。

采集控制儀表則以FPGA為主要架構，采樣頻率為80Hz，搭載的A/D轉換器的分辨率為24位，采用Modbus作為通信傳輸協議。采集控制儀表支持RS232通信，通過RS232轉串口模塊可以輕松實現采集控制儀表與上位機的通信連接。采集控制儀表的主要實現的功能為：1）標準力矩傳感器的橋壓激勵；2）標準力矩傳感器電壓信號的A／D轉換；3）采集信號的低通硬件濾波；4）與上位機數據分析系統通信，發送測量數據。

2 實驗系統軟件設計

實驗平臺軟件設計主要由關節步進電機驅動控制部分和數據采集與分析部分組成。步進電機驅動控制部分主要完成CAN網卡的驅動控制以及步進電機的驅動控制。數據采集與分析部分主要完數據收集保存以及利用MATLAB軟件進行基本的數據分析。實驗平臺的整體軟件設計框圖如圖5所示。實際的軟件上位機界面如圖6所示。上位機軟件中特別增設了一個信息交互窗口，用以解析電機驅動控制器發回的CAN報文信息，以提升軟件的人機交互性。

圖5 實驗平臺軟件設計整體框圖

圖6 實驗平臺軟件上位機界面

2.1 電機驅動控制軟件設計

步進電機的控制主要由上位機通過電機驅動控制器完成。電機驅動控制器與上位機間采用CAN協議通信。上位機的電機驅動控制系統的軟件設計主要包括：1）CAN網卡的初始化程序，為電機驅動控制系統提供通信基礎；2）步進電機控制器初始化程序，初始化步進電機控制器的相應工作參數；3）步進電機的控制程序，完成對步進電機運行模式、加速度、細分數、轉速等運動參數的設置以及對步進電機的啟?？刂?。當整個系統初始化工作完成以后，進入等待數據采集階段。當數據采集階段結束后，電機驅動控制系統進入下一個工作循環。

2.2 采集系統軟件設計

采集系統的軟件設計采用了Visual Studio 與MATLAB的混合編程?；赩isual Studio的軟件設計完成了原始力矩數據的串口采集。基于MATLAB的采集系統的軟件設計主要完成：1）原始力矩數據的文本保存；2）原始力矩數據幀的處理提取與格式轉換，通過識別Modbus數據幀頭提取力矩數據，利用移位算法完成力矩數據的還原與進制轉換；3）原始力矩數據的繪圖與分析。因諧波測力減速器的力矩輸出受柔輪變形的影響較大，故針對諧波測力減速器的測量力矩進行頻譜分析后，選用切比雪夫低通濾波器進行濾波處理。圖7(a)為諧波測力減速器的輸出力矩曲線及頻譜分析圖，圖7(b)為諧波測力減速器進行低通濾波處理后的輸出力矩曲線圖及頻譜分析圖。

圖7 諧波測力減速器的輸出力矩曲線

3 實驗

通過研制樣機，在實驗平臺上進行了機器人關節力矩測量的初步實驗，以證明實驗平臺的可行性。實驗時，磁粉制動器的額定力矩為6Nm，采用的減速機為行星減速器，其傳動比為100∶1；實驗前，對實驗臺進行空載測試，電機驅動軸轉速在150r/min，記錄空載數據如圖8所示?？梢钥吹接捎谘b配、設備輕微振動等原因，力矩傳感器空載時存在一定的空載力矩。當實驗平臺處于負載實驗時，可以通過扣除空載力矩，從而減少測量誤差。

圖8 力矩傳感器空載輸出力矩曲線

負載實驗時，電機驅動軸轉速在150r/min,磁粉制動器的激勵電壓為4V，平穩運行數秒后，記錄力矩數據，測得數據如圖9(a)所示。停止關節電機驅動，更改磁粉制動器的激勵電壓為6V，重啟運行數秒后，啟動測量系統記錄力矩數據。測得數據如圖9(b)所示?？梢钥吹剑敶欧壑苿悠髦苿悠鞯募铍妷涸龃?，也就是負載力矩增大時，力矩傳感器的測量力矩數據也會隨之增大。

圖9 力矩傳感器不同靜態負載下輸出力矩曲線

根據實驗結果，在靜態不同力矩負載的情況下，力矩與磁粉制動器電壓呈正相關關系，不同負載數據下的力矩數據如表1所示。

表1 不同負載數據下的力矩數據表

進行動態加載實驗時，電機驅動軸轉速在150r/min，磁粉制動器的激勵電壓為2.5V，平穩運行數秒后，不停止關節電機驅動，改變磁粉制動器的激勵電壓為4V，輸出的力矩曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，在保持關節電機持續運作的情況下，可以通過實時改變磁粉制動器的激勵電壓實現實驗平臺的動態負載力矩的加載。

圖10 力矩傳感器動態負載下輸出力矩曲線

4 結語

本文設計的機器人關節力矩實驗平臺可以對機器人關節的輸出力矩進行測量與標定，是研究機器人力輸出特性的基礎裝備，在提升機器人人機交互性和機器人力矩研究方面具有重要的意義。同時，設計中利用減速器、磁粉制動器等機械結構使得實驗平臺具有適應測量范圍廣、測量精度高、滿足動態測量要求等特點。在該實驗平臺的基礎上，通過實驗成功測得機器人關節的輸出力矩，為之后對內含諧波測力減速器的機器人關節力矩的進一步分析提供了設備前提和硬件保障。