常州先成傳感器有限公司--六維力傳感器

1.背景介紹在前一篇文章中，我們從力檢測(cè)方法和力控制理論兩個(gè)角度討論了力控制的發(fā)展歷史。力控制的理論比較完善，但是交互力檢測(cè)的方式差別很大。目前的兩種方法是鉸接式單軸扭矩傳感器和端部式六軸扭矩傳感器。本文主要分析了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.端部式六軸，這是目前使用泛的方法。這四個(gè)家族的機(jī)器人都有自己的力控制包，它們的實(shí)現(xiàn)是基于在機(jī)械臂末端安裝六軸/三軸力傳感器。這種力檢測(cè)方法簡(jiǎn)單直接。然而，它有一個(gè)主要的原則缺陷：非定位模式。這個(gè)詞的意思是檢測(cè)元件的檢測(cè)量不同于執(zhí)行元件的檢測(cè)量，即力的檢測(cè)是在末端實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)際執(zhí)行元件(即電機(jī))離末端很遠(yuǎn)，與機(jī)器人的機(jī)械體是分離的。這種非定位模式會(huì)限制機(jī)器人控制的動(dòng)態(tài)性能，而且機(jī)體慣性大，帶寬低。因此，基于末端檢測(cè)力模式的力控制響應(yīng)慢，帶寬低。在剛性環(huán)境中穩(wěn)定性也低。

3.關(guān)節(jié)力矩傳感器安裝在機(jī)械臂關(guān)節(jié)減速器的輸出端，可以帶來(lái)兩個(gè)好處：解耦機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型，有利于基于動(dòng)力學(xué)的位置控制；有利于實(shí)現(xiàn)力的控制。這里主要討論后者。前面我們提到了非共位模式的問(wèn)題，關(guān)節(jié)力矩傳感器(力檢測(cè)元件)與電機(jī)(關(guān)節(jié)執(zhí)行器)非常接近，從理論上消除了機(jī)械手機(jī)械慣性的影響，可以提高力控制的性能。這個(gè)結(jié)論在上個(gè)世紀(jì)就有了，聯(lián)合轉(zhuǎn)矩控制的類似關(guān)鍵詞。但是，為什么這種武力控制的方式會(huì)被四大家族“忽視”

本文結(jié)合筆者的親身經(jīng)歷對(duì)此原因進(jìn)行了逆向分析：機(jī)械臂的布線問(wèn)題(電源線和編碼器線)是困擾國(guó)產(chǎn)機(jī)械臂穩(wěn)定性的主要因素。如果在接頭處增加扭矩傳感器，走線的難度會(huì)進(jìn)一步增加；而且傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂的交流電機(jī)是非中空結(jié)構(gòu)，沒(méi)有UR那么容易。結(jié)構(gòu)：在關(guān)節(jié)處安裝扭矩傳感器會(huì)增加關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈的剛度。傳感器本身的支撐也是一個(gè)難題。范圍：首先我們比較一下ATI在六個(gè)方向的范圍。大致可以看出，力的范圍會(huì)達(dá)到扭矩范圍的40倍左右。

這說(shuō)明力的偏心度不能太大，否則容易造成扭矩過(guò)載。這就要求對(duì)于端部六軸力控制，端部載荷的偏心是有限的，傳感器的扭矩范圍能夠滿足要求。我們來(lái)看看單軸關(guān)節(jié)扭矩傳感器的量程。以尤利傳感器為例，量程可達(dá)300納米。假設(shè)傳感器安裝在25 kg載荷的工業(yè)機(jī)械臂上，臂跨1.5m，滿載時(shí)，載荷施加在兩軸上的扭矩高達(dá)375Nm，不考慮機(jī)械臂本身的重量和慣性矩。因此，鉸接式扭矩傳感器不能應(yīng)用于中等范圍及以上的機(jī)械臂。

現(xiàn)在，關(guān)節(jié)傳感器也用于像iiwa這樣負(fù)載小的輕型機(jī)械臂。從控制原理來(lái)看，iiwa的控制方式從關(guān)節(jié)位置輸出升級(jí)為關(guān)節(jié)力矩輸出，這是一個(gè)很大的進(jìn)步。但這種光臂的位置控制精度低，更容易出現(xiàn)共振現(xiàn)象，控制要求更高，只能應(yīng)用于力較小的力控制場(chǎng)合。雖然iiwa的控力效果很好，但在相同情況下，其控力效果是否優(yōu)于末端六軸仍不得而知，因?yàn)閷?duì)于輕型手臂，機(jī)構(gòu)本身的動(dòng)力學(xué)引起的非共位模態(tài)現(xiàn)象應(yīng)該也比較弱。鉸接式扭矩傳感器可以控制近似全臂力，我們可以實(shí)現(xiàn)

4.結(jié)論鉸接單軸很難成為力控制的通用解決方案，這可能是四大家族沒(méi)有采用這種策略的原因。