关节式力矩传感器与六轴力矩传感器

知乎专栏 2019年5月3日17:32:58 评论 116

1.背景介绍

在之前的一篇文章中,我们从力检测方式与力控制理论两个角度探讨了力控制的发展历史。力控制理论相对完善,而在交互力检测的方式上面却存在很大差别。目前实际中最常用的两种方式是关节式单轴力矩传感器和末端式六轴力矩传感器。本文主要分析这两种方式的利弊。

2.末端式六轴

这是现今最广泛的一种方式。四大家族的机器人带有各自的力控制包,其实现的基础也是在机械臂的末端安装有六轴/三轴力传感器。这种力检测的方式简单直接。

然而它在原理上就存在着重大缺陷: noncolocated modes。这个词表达的意思是检测元件的检测量与实施元件不在一起,即力检测是在末端实现的,然而实际实施元件(即电机)却远离末端,这两者之间隔了机器人的机械本体。这种noncolocated modes会限制机器人力控的动态性能,并且机械本体惯性大,带宽低。所以基于末端检测力方式的力控制的响应慢,带宽低。在刚性较大的环境下稳定性也较低,下图是在与铝件表面接触与皮肤表面接触下的阶跃响应。

3.关节式单轴

在机械臂关节的减速器输出端安装关节力矩传感器,可以带来两点优势:解耦机械臂的动力学模型,有利于进行基于动力学的位置控制;有利于实现力控制。这里我们主要讨论后者。

前面我们提到了noncolocated modes的问题,而关节力矩传感器(力检测元件)与电机(关节执行元件)相距很近,排除了机械臂机械惯性的影响,理论上可提升力控制的性能。这个结论是上个世纪已经有了,有兴趣的可以在谷歌上搜索joint torque control类似的关键词。然而,为什么这种力控制方式,会被四大家族“忽视”呢?这里结合笔者个人的经验来逆向分析下这个原因

走线:机械臂的(动力线及编码器线)走线问题是困扰国内机械臂稳定性的一大因素。若是在关节处增加力矩传感器,走线困难会进一步加大;且传统工业机械臂的交流电机是非中空结构,不如UR这种中空关节走线容易。

结构:在关节处安装力矩传感器会增加关节结构的复杂度,且会降低关节传动链的刚度。传感器自身的支撑问题也是个难题。

量程:首先我们来看下ATI六个方向的量程比较,可以大致看出,力的量程会达到力矩量程是40倍左右。这说明力的偏心不能过大,否则容易造成力矩过载。这点要求对于末端六轴式的力控,末端负载的偏心有限,传感器的力矩量程能满足要求。

我们来看下单轴关节力矩传感器的量程,以宇立的传感器为例,最大量程可达300Nm。假设要把这个传感器装在负载25公斤的工业机械臂,臂展为1.5m,当满载时,负载施加在2轴处的力矩高达375Nm,这还没考虑到机械臂杆件本身的重量及惯性力矩。所以关节式的力矩传感器无法应用到中型量程及以上的机械臂。

现在关节式传感器也是应用于类似iiwa的小负载轻型机械臂中。从控制原理上,iiwa的控制方式从控制关节位置输出升级为控制关节力矩输出,是一个重大的进步。然而,这种轻型臂的位置控制精度较低,谐振现象更容易发生,对控制的要求也更高,只能应用在力较小的力控制场合。

iiwa虽然展示出来的力控制效果很好,但它的力控制效果是否比同等情况下末端六轴的效果好还是个未知数,因为对于轻型臂来说,机构本身的动力学引起的noncolocated modes现象应该也会比较弱。关节式的力矩传感器可以进行近似的全臂力控制,而我们把六轴安装在机械臂的底座上也是可以实现真正的全臂力控制的。

 

4.结论

关节式单轴很难成为力控制的通用型解决方案,这也可能是四大家族并没有采取这种策略的原因。

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