Оптимизация измерения крутящего момента в робототехнических приложениях

Мировой рынок мобильной робототехники быстро расширяется. С появлением недорогих роботов, которые проще и дешевле развертывать, коллаборативные роботы или коботы находят новые промышленные и потребительские применения. Коботы используют датчики положения и крутящего момента, встроенные в их суставы, чтобы обеспечить автоматическое управление и безопасную работу. ISO 10218-1 — это международный стандарт, устанавливающий требования к безопасности и рекомендации по проектированию промышленных роботов.

Обычно для этого требуется использовать как минимум один датчик силомоментного момента в дополнение к контролю электродвигателей в соединениях. Некоторые более поздние коботы имеют датчики крутящего момента в каждом суставе, например, коботы Doosan и новейшие машины KUKA LBR iiwa.

Помимо соответствия стандарту безопасности ISO 10218-1, использование нескольких датчиков крутящего момента также позволяет производителю робота улучшить управление системой за счет усовершенствованной кинематики, используя входные данные датчиков крутящего момента для компенсации массы конечностей робота и полезной нагрузки для обеспечивать быстрые, контролируемые и безопасные движения робота.

Существует также рынок сенсорных систем в качестве аксессуаров или встроенных в роботизированные инструменты, помогающих контролировать работу инструмента. В настоящее время существуют две ключевые технологии измерения крутящего момента в робототехнике — тензодатчики и датчики смещения.

Это традиционный метод измерения крутящего момента с помощью тензодатчика, прикрепленного к гибкой пластине в шарнире робота. Изменения деформации из-за крутящего момента регистрируются как изменения электрического сигнала.

Преимущества тензорезисторов заключаются в том, что они относительно дешевы и их легко применять в небольших объемах, например, в испытательной лаборатории. Однако у тензорезисторов в роботизированных соединениях есть и недостатки, в том числе:

Они требуют использования гибких конструкций и четырех датчиков, расположенных в мостовой схеме Уитстона, чтобы обеспечить измеримую деформацию. Это ставит под угрозу механическую целостность системы, делая роботизированную руку менее жесткой, чем она могла бы быть без датчиков.

Тензорезисторы обычно не являются надежными и устойчивыми к суровым условиям окружающей среды, а их выходные характеристики зависят от температуры.

Они чувствительны к помехам фонового электромагнитного излучения и магнитных полей.

В этом методе обычно используется пара измерительных дисков, прикрепленных к противоположным концам вала. «Угол закручивания» вала измеряется по разности фаз между ними посредством оптического или магнитного измерения. Это позволяет рассчитать крутящий момент.

Главным преимуществом является возможность перегрузки датчика до максимальной нагрузочной способности «крутого вала». К недостаткам этого метода относятся:

Для увеличения угла закручивания требуется часть вала уменьшенного диаметра, известная как торсион (не более нескольких градусов для отношения длины к диаметру L/D = 5), что может отрицательно повлиять на механическую стабильность вала. система.

Он чувствителен к температуре.

Существует ограниченная точность измерений.

Требует большего объема упаковки из-за необходимости измерения крутки вала по длине торсиона.

Обе существующие технологии требуют элемента скручивания или изгиба в суставах робота, а это означает, что роботизированная рука будет сгибаться во время работы. Это может быть фактором, ограничивающим производительность и повторяемость работы кобота.

Технология датчиков поверхностной акустической волны (SAW) компании Transense обеспечивает улучшенный способ измерения крутящего момента, вращения и температуры в роботизированной системе, устраняя изгиб суставов и создавая более производительный и повторяемый робот с более компактными суставами. Технология SAW представляет собой беспроводную пассивную бесконтактную систему измерения, состоящую из двух основных компонентов:

Считыватель создает сигнал опроса, который передается на вращающийся вал через радиочастотный соединитель. Чувствительные элементы на валу не требуют какого-либо другого источника питания и работают как пассивное устройство, отражающее запросный сигнал обратно в электронику считывателя. На частоту колебаний обратно рассеянных сигналов влияют физические измерения, такие как деформация и температура.