RU2306536C1

RU2306536C1 - Dynamometric device for robots

Info

Publication number: RU2306536C1
Application number: RU2006107143/28A
Authority: RU
Inventors: Вадим Анатольевич Шахнин (RU); Вадим Анатольевич Шахнин
Original assignee: Вадим Анатольевич Шахнин
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20

Abstract

FIELD: measuring technique.

SUBSTANCE: device comprises two load-transmitting flanges interconnected through four flexible cross-pieces arranged parallel to the longitudinal axis of the transducer, signal coils mounted on the flexible cross-pieces, magnetizing coils mounted on the rigid plates and connected to the opposite arms of the bridge measuring circuit, and correction coils mounted on the rigid plates and connected to the measuring diagonal of the bridge circuit.

EFFECT: enhanced precision.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области силоизмерительной техники и может быть использовано для силомоментного очувствления промышленных роботов.The present invention relates to the field of load-measuring equipment and can be used for torque sensing of industrial robots.

Известны датчики для силомоментного очувствления роботов, содержащие упругие элементы с тензорезисторами различных типов (Авторские свидетельства СССР №714187, №1210072, МПК G02L 5/16 и др.).Sensors are known for the force-sensing sensation of robots containing elastic elements with strain gauges of various types (USSR author's certificates No. 714187, No. 1210072, IPC G02L 5/16, etc.).

Общими недостатками этих устройств являются низкая термостабильность, обусловленная применением тензорезисторов, и влияние одних компонент измеряемых сил и моментов на результаты измерения других компонент, т.е. низкая селективность, связанная с конструктивными особенностями датчиков. Эти недостатки ограничивают применение указанных датчиков в производственных условиях и снижают эффективность управления приводами робота с силомоментным очувствлением.Common disadvantages of these devices are low thermal stability due to the use of strain gauges, and the influence of some components of the measured forces and moments on the measurement results of other components, i.e. low selectivity associated with the design features of the sensors. These disadvantages limit the use of these sensors in a production environment and reduce the effectiveness of controlling robot drives with torque sensation.

Известен динамометрический датчик, предназначенный для силомоментного очувствления промышленных роботов (Авторское свидетельство СССР №1352262, МПК G01L 5/16, 1/12). Датчик содержит два соосно расположенных силопередающих фланца, соединенных между собой двумя парами упругих перемычек, связанных жесткими пластинами, измерительные преобразователи, выполненные в виде катушек, размещенных на упругих перемычках и соединенных попарно последовательно-встречно, намагничивающие катушки, расположенные на жестких пластинах и включенные в противоположные плечи измерительной мостовой цепи, два других плеча которой образованы компенсационными катушками. Обе пары упругих перемычек расположены вдоль продольной оси датчика Z, причем одна пара параллельна поперечной оси X, а другая параллельна поперечной оси Y. Датчик является трехкомпонентным, позволяет измерять силу, действующую вдоль его продольной оси Z, и два изгибающих момента вокруг поперечных осей Х и Y.A known dynamometer sensor designed for moment-sensitive sensation of industrial robots (USSR Author's Certificate No. 1352262, IPC G01L 5/16, 1/12). The sensor contains two coaxially located power-transmitting flanges, interconnected by two pairs of elastic jumpers connected by rigid plates, measuring transducers made in the form of coils placed on elastic jumpers and connected in pairs in series and opposite, magnetizing coils located on hard plates and included in opposite shoulders measuring bridge circuit, the other two shoulders of which are formed by compensation coils. Both pairs of elastic jumpers are located along the longitudinal axis of the Z sensor, with one pair parallel to the transverse axis X and the other parallel to the transverse axis Y. The sensor is three-component, allows you to measure the force acting along its longitudinal axis Z, and two bending moments around the transverse axes X and Y.

Недостатками датчика являются низкие селективность и точность измерения, обусловленные влиянием изгибающих моментов на результаты измерения силы. Действительно, при отсутствии силы вдоль продольной оси Z измерительная мостовая цепь будет сбалансирована либо при отсутствии изгибающих моментов вокруг поперечных осей, либо при их равенстве. При действии лишь одного изгибающего момента, или при одновременном действии обоих, но с разными значениями, несмотря на то, что увеличение одного из воздушных зазоров компенсируется уменьшением другого, происходит разбаланс измерительной мостовой цепи в результате магнитоупругого эффекта. В вышеуказанных случаях внутренние напряжения в той части датчика, где упругие перемычки, ориентированные вдоль оси X, отличаются от внутренних напряжений в той части, где упругие перемычки ориентированы вдоль оси Y. В результате магнитные потоки в жестких пластинах, связывающих упругие перемычки различных пар, становятся разными, что приводит к нарушению равенства индуктивностей намагничивающих катушек, расположенных на жестких пластинах, и, как следствие, разбалансу измерительной мостовой цепи. Аналогичные процессы происходят и при действии силы вдоль продольной оси Z, резко снижая точность измерения силы.The disadvantages of the sensor are low selectivity and accuracy, due to the influence of bending moments on the results of force measurements. Indeed, in the absence of force along the longitudinal axis Z, the measuring bridge circuit will be balanced either in the absence of bending moments around the transverse axes, or if they are equal. Under the action of only one bending moment, or with the simultaneous action of both, but with different values, despite the fact that the increase in one of the air gaps is compensated by the decrease in the other, the measuring bridge circuit is unbalanced as a result of the magnetoelastic effect. In the above cases, the internal stresses in the part of the sensor where the elastic jumpers oriented along the X axis differ from the internal stresses in the part where the elastic jumpers are oriented along the Y axis. As a result, the magnetic fluxes in the hard plates connecting the elastic jumpers of different pairs become different, which leads to a violation of the equality of the inductances of the magnetizing coils located on the rigid plates, and, as a result, the imbalance of the measuring bridge circuit. Similar processes occur under the action of a force along the longitudinal axis Z, sharply reducing the accuracy of the measurement of force.

Указанные недостатки ограничивают эффективность использования датчика для коррекции управления приводами промышленного робота.These shortcomings limit the efficiency of using the sensor to correct the control of the drives of an industrial robot.

Цель предлагаемого изобретения - повышение селективности и точности датчика.The purpose of the invention is to increase the selectivity and accuracy of the sensor.

Поставленная цель достигается тем, что в силомоментный датчик, содержащий два силопередающих фланца, соединенных между собой четырьмя упругими перемычками, размещенными параллельно продольной оси датчика симметрично относительно нее, попарно в двух перпендикулярных плоскостях, причем пары перемычек соединены между собой последовательно, а перемычки каждой пары связаны жесткой пластиной, сигнальные катушки, размещенные на упругих перемычках и соединенные попарно последовательно-встречно, намагничивающие катушки, размещенные на жестких пластинах и включенные в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, в два других плеча которой включены компенсационные катушки, введены две корректирующие катушки, размещенные на жестких пластинах и включенные последовательно-встречно в измерительную диагональ мостовой схемы.This goal is achieved by the fact that in a torque sensor containing two power transmitting flanges interconnected by four elastic jumpers placed parallel to the longitudinal axis of the sensor symmetrically relative to it, pairwise in two perpendicular planes, and the pairs of jumpers are connected together in series, and the jumpers of each pair are connected a rigid plate, signal coils placed on elastic jumpers and connected in pairs in series-counter, magnetizing coils placed on a rail FIR plates and included within the opposite arms of the bridge measurement circuit, in which the two other arm includes compensation coils and two correcting coils administered placed on the rigid plates and connected in series-opposite to the measuring diagonal of the bridge circuit.

На фиг.1 изображены две проекции корпуса датчика; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема датчика. Датчик содержит соосно расположенные силопередающие фланцы 1 и 2, соединенные между собой упругими перемычками 3, 4 и 5, 6, связанными между собой соответственно жесткими пластинами 7 и 8, сигнальные катушки 9 и 10, размещенные на упругих перемычках 3 и 4 и соединенные последовательно-встречно, сигнальные катушки 11 и 12, размещенные на упругих перемычках 5 и 6 и соединенные последовательно-встречно, намагничивающие катушки 13 и 14, расположенные на жестких пластинах 7 и 8, включенные в противоположные плечи измерительной мостовой цепи, два других плеча которой образованы компенсационными катушками 15 и 16, корректирующие катушки 17 и 18, размещенные на жестких пластинах 7 и 8 и включенные последовательно-встречно в измерительную диагональ мостовой цепи.Figure 1 shows two projections of the sensor housing; figure 2 - circuit diagram of the sensor. The sensor contains coaxially located power transmitting flanges 1 and 2, interconnected by elastic jumpers 3, 4 and 5, 6, interconnected by rigid plates 7 and 8, signal coils 9 and 10, placed on elastic jumpers 3 and 4 and connected in series counter, signal coils 11 and 12, placed on elastic jumpers 5 and 6 and connected in series-counter, magnetizing coils 13 and 14, located on rigid plates 7 and 8, included in opposite arms of the measuring bridge circuit, two other arms which are formed by compensation coils 15 and 16, correcting coils 17 and 18, placed on rigid plates 7 and 8 and included sequentially in the opposite direction to the measuring diagonal of the bridge circuit.

Датчик для силомоментного очувствления работает следующим образом. При подключении мостовой измерительной цепи к источнику переменного тока в жестких пластинах 7 и 8 возникают переменные магнитные потоки Ф1 и Ф2. В отсутствии силы, действующей на датчик вдоль его продольной оси Z, и изгибающих моментов вокруг поперечных осей Х и Y магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ вследствие симметрии магнитной цепи делятся на равные составляющие Ф₁₁=Ф₁₂ и Ф₂₁=Ф₂₂. В сигнальных катушках 9 и 10 наводятся одинаковые э.д.с. Е₉=Е₁₀, а в сигнальных катушках 11 и 12 - одинаковые э.д.с. Е₁₁ и E₁₂. В результате последовательно-встречного включения названные э.д.с. взаимно компенсируются, и выходные напряжения U₁ и U₂ оказываются равными нулю. Вследствие равенства магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ э.д.с., индуцируемые в корректирующих катушках 17 и 18, также равны между собой, а их сумма с учетом последовательно-встречного включения равна нулю. Таким образом, выходное напряжение U₃ равно напряжению между узлами а и b мостовой цепи, которое в свою очередь равно нулю, т.к. мостовая цепь находится в уравновешенном состоянии. Таким образом, при отсутствии входных воздействий все выходные напряжения датчика U₁, U₂, U₃ равны нулю.The sensor for torque sensation works as follows. When a bridge measuring circuit is connected to an alternating current source in the rigid plates 7 and 8, alternating magnetic fluxes F1 and F2 arise. In the absence of a force acting on the sensor along its longitudinal axis Z and bending moments around the transverse axes X and Y, the magnetic fluxes Ф ₁ and Ф ₂ due to the symmetry of the magnetic circuit are divided into equal components Ф ₁₁ = Ф ₁₂ and Ф ₂₁ = Ф ₂₂ . In the signal coils 9 and 10, the same emf are induced E ₉ = E ₁₀ , and in the signal coils 11 and 12 - the same emf E ₁₁ and E ₁₂ . As a result of series-counter inclusion, the named emfs mutually compensated, and the output voltages U ₁ and U ₂ are equal to zero. Due to the equality of the magnetic fluxes Φ ₁ and Φ _{2, the} emfs induced in the correction coils 17 and 18 are also equal to each other, and their sum, taking into account the series-opposite switching, is equal to zero. Thus, the output voltage U ₃ is equal to the voltage between the nodes a and b of the bridge circuit, which in turn is zero, because the bridge circuit is in a balanced state. Thus, in the absence of input influences, all output voltages of the sensor U ₁ , U ₂ , U ₃ are equal to zero.

При появлении силы, действующей вдоль продольной оси Z, происходит деформация датчика. Действие растягивающей силы приводит к увеличению воздушных зазоров в магнитных цепях, по которым протекают потоки Ф1 и Ф2 и их составляющие. В результате магнитное сопротивление этих цепей увеличивается, а индуктивности и полные электрические сопротивления намагничивающих катушек 13 и 14 уменьшаются. Под действием сжимающей силы воздушные зазоры уменьшаются, а индуктивности и полные электрические сопротивления намагничивающих катушек 13 и 14 возрастают. Таким образом, в обоих случаях происходит разбаланс мостовой цепи. В измерительной диагонали между узлами а и b появляется напряжение, амплитуда которого зависит от значения силы, действующей вдоль оси Z, а фаза изменяется на 180 градусов при изменении направления действия силы на противоположное. При этом выходное напряжение U₃ равно напряжению между узлами а и b, т.к. сумма э.д.с., наводимых в корректирующих обмотках 17 и 18, остается равной нулю. В рассматриваемом случае не нарушается симметрия магнитных цепей, по которым замыкаются магнитные потоки Ф₁₁ и Ф₁₂, а также Ф₂₁ и Ф₂₂, поэтому выходные напряжения U₁ и U₂ остаются равными нулю.When a force appears that acts along the longitudinal axis Z, the sensor is deformed. The action of the tensile force leads to an increase in air gaps in the magnetic circuits along which flows F1 and F2 and their components flow. As a result, the magnetic resistance of these circuits increases, and the inductances and the total electrical resistances of the magnetizing coils 13 and 14 decrease. Under the action of compressive force, the air gaps decrease, and the inductances and the total electrical resistances of the magnetizing coils 13 and 14 increase. Thus, in both cases, an imbalance of the bridge circuit occurs. A voltage appears in the measuring diagonal between nodes a and b, the amplitude of which depends on the value of the force acting along the Z axis, and the phase changes by 180 degrees when the direction of the force is reversed. In this case, the output voltage U ₃ is equal to the voltage between nodes a and b, because the sum of the emf induced in the correcting windings 17 and 18 remains equal to zero. In the case under consideration, the symmetry of the magnetic circuits along which the magnetic fluxes Ф ₁₁ and Ф ₁₂ , as well as Ф ₂₁ and Ф _{22 are} closed, therefore, the output voltages U ₁ and U ₂ remain equal to zero.

При возникновении изгибающего момента M₁, действующего вокруг оси Y, нарушается симметрия магнитных цепей, по которым замыкаются магнитные потоки Ф₁₁ и Ф₁₂, т.к. воздушный зазор в одной из цепей уменьшается, а в другой увеличивается. В результате нарушается равенство э.д.с., наводимых в сигнальных катушках 9 и 10, амплитуда выходного напряжения U₁ становится отличной от нуля, пропорциональной значению изгибающего момента M₁, a фаза этого напряжения изменяется на 180 градусов при изменении направления действия момента на противоположное. В связи с жесткостью конструкции датчика симметрия магнитных цепей, по которым протекают магнитные потоки Ф₂₁ и Ф₂₂, т.е. в нижней части датчика, не нарушается и выходное напряжение U₂ остается равным нулю, что соответствует отсутствию изгибающего момента М₂ вокруг оси X. Однако в силу тех же причин внутренние механические напряжения в той части датчика, где упругие перемычки ориентированы вдоль оси Y, т.е. в верхней части, становятся больше внутренних механических напряжений в той части датчика, где упругие перемычки ориентированы вдоль оси X, т.е. в нижней части. В результате нарушается равенство магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ в жестких пластинах 7 и 8, а следовательно, индуктивностей и полных электрических сопротивлений намагничивающих катушек 13 и 14, происходит разбаланс измерительной мостовой цепи, напряжение между узлами а и b становится отличным от нуля даже при отсутствии силы вдоль продольной оси Z. Однако из-за нарушения равенства магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ нарушается равенство э.д.с., наводимых в корректирующих катушках 17 и 18. При правильном подборе числа витков в этих катушках разность этих э.д.с. компенсирует напряжение между узлами мостовой цепи а и b, поэтому выходное напряжение U₃ остается равным нулю даже при различных значениях внутренних механических напряжений в верхней и нижней частях датчика. Таким образом обеспечивается селективность работы датчика относительно изгибающего момента М₁.When a bending moment M ₁ occurs around the Y axis, the symmetry of the magnetic circuits is broken, along which the magnetic fluxes F ₁₁ and F _{12 are} closed, because the air gap in one of the chains decreases, while in the other it increases. As a result, the equality of the emf induced in the signal coils 9 and 10 is violated, the amplitude of the output voltage U ₁ becomes non-zero, proportional to the value of the bending moment M ₁ , and the phase of this voltage changes by 180 degrees when the direction of action of the moment changes by the opposite. Due to the rigidity of the sensor design, the symmetry of the magnetic circuits along which the magnetic fluxes F ₂₁ and F ₂₂ flow, i.e. in the lower part of the sensor, it is not violated and the output voltage U ₂ remains equal to zero, which corresponds to the absence of bending moment M ₂ around the X axis. However, for the same reasons, the internal mechanical stresses in that part of the sensor where the elastic jumpers are oriented along the Y axis, t .e. in the upper part, there are more internal mechanical stresses in that part of the sensor where the elastic jumpers are oriented along the X axis, i.e. in the lower part. As a result, the equality of the magnetic fluxes Ф ₁ and Ф ₂ in the hard plates 7 and 8 is violated, and therefore, the inductances and the total electrical resistances of the magnetizing coils 13 and 14, the measuring bridge circuit is unbalanced, the voltage between nodes a and b becomes non-zero even at the absence of force along the longitudinal axis Z. However, due to the violation of the equality of the magnetic fluxes Ф ₁ and Ф _2, the equality of the emf induced in the correction coils 17 and 18 is violated. With the correct selection of the number of turns in these coils, the difference between these emfs .from. compensates for the voltage between the nodes of the bridge circuit a and b, so the output voltage U ₃ remains equal to zero even at different values of internal mechanical stresses in the upper and lower parts of the sensor. This ensures the selectivity of the sensor relative to the bending moment M ₁ .

При возникновении изгибающего момента М₂ вокруг оси Х вследствие изменения воздушных зазоров нарушается симметрия магнитных цепей, по которым замыкаются магнитные потоки Ф₂₁ и Ф₂₂, т.е. в нижней части датчика. Это приводит к нарушению равенства э.д.с., наводимых в сигнальных катушках 11 и 12, амплитуда выходного напряжения U₂ становится отличной от нуля, пропорциональной значению изгибающего момента М₂, а фаза этого напряжения изменяется на 180 градусов при изменении направления действия момента на противоположное. В связи с жесткостью конструкции датчика симметрия магнитных цепей в верхней части датчика не нарушается, выходное напряжение U₁ остается равным нулю, что соответствует отсутствию изгибающего момента M₁ вокруг оси Y. Однако в этом случае внутренние механические напряжения в нижней части датчика становятся больше, чем в верхней части, что приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи, причем фаза напряжения между узлами а и b отличается на 180 градусов от фазы этого напряжения в случае рассмотренном выше, т.е. при наличии момента M₁ и отсутствии момента М₂. Фаза появившейся при этом разности э.д.с. в корректирующих обмотках 17 и 18 также сдвигается на 180 градусов по сравнению с вышерассмотренным случаем, что обеспечивает компенсацию напряжения между узлами а и b и равенство нулю выходного напряжения U3. Таким образом обеспечивается селективность работы датчика относительно изгибающего момента М₂.When a bending moment M ₂ arises around the X axis due to changes in air gaps, the symmetry of the magnetic circuits is broken, along which the magnetic fluxes F ₂₁ and F _{22 are} closed, i.e. at the bottom of the sensor. This leads to a violation of the equality of the emf induced in the signal coils 11 and 12, the amplitude of the output voltage U ₂ becomes non-zero, proportional to the value of the bending moment M ₂ , and the phase of this voltage changes by 180 degrees when changing the direction of action of the moment to the opposite. Due to the rigidity of the sensor design, the symmetry of the magnetic circuits in the upper part of the sensor is not broken, the output voltage U ₁ remains equal to zero, which corresponds to the absence of bending moment M ₁ around the Y axis. However, in this case, the internal mechanical stresses in the lower part of the sensor become greater than in the upper part, which leads to an imbalance of the bridge measuring circuit, and the phase of the voltage between nodes a and b differs by 180 degrees from the phase of this voltage in the case considered above, i.e. in the presence of a moment M ₁ and the absence of a moment M ₂ . The phase of the resulting emf difference in the correcting windings 17 and 18, it also shifts by 180 degrees compared with the above case, which provides compensation for the voltage between nodes a and b and the output voltage U3 being equal to zero. This ensures the selectivity of the sensor relative to the bending moment M ₂ .

Предлагаемый датчик является трехкомпонентным, причем сила вдоль оси Z и изгибающие моменты вокруг осей Х и Y могут измеряться как при раздельном, так и при одновременном их действии. При одновременном действии продольной силы и изгибающих моментов введение корректирующих катушек позволяет существенно повысить точность измерения силы.The proposed sensor is three-component, and the force along the Z axis and bending moments around the X and Y axes can be measured both separately and simultaneously. With the simultaneous action of longitudinal force and bending moments, the introduction of correcting coils can significantly improve the accuracy of force measurements.

Испытания датчика проводились при его установке на шестизвенном манипуляторе универсального промышленного робота ПР 125 с использованием образцовых средств измерения сил и моментов, прошедших метрологическую аттестацию. В результате проведения испытаний установлено, что введение корректирующих катушек позволило снизить основную относительную погрешность измерения продольной силы с 7,5% до 3,0%. Благодаря этому погрешность позиционирования контролируемой точки схвата робота уменьшилась, ориентировочно, на 25%, а погрешность воспроизведения заданной кривой (дуги окружности) - на 20%.The sensor tests were carried out when it was installed on the six-arm manipulator of the universal industrial robot PR 125 using standard means of measuring forces and moments that passed metrological certification. As a result of the tests, it was found that the introduction of correcting coils made it possible to reduce the main relative error in the measurement of the longitudinal force from 7.5% to 3.0%. Due to this, the positioning error of the controlled robot gripping point decreased, approximately, by 25%, and the error in reproducing a given curve (circular arc) - by 20%.

Claims

A sensor for the force-sensitive sensation of robots, containing two power transmitting flanges connected by four elastic jumpers arranged parallel to the longitudinal axis of the sensor symmetrically relative to it, pairwise in two perpendicular planes, the pairs of jumpers being connected together in series, and the jumpers of each pair connected by a rigid plate, signal coils placed on elastic jumpers and connected in pairs in series-counter, magnetizing coils placed on rigid plates and included in the opposite shoulders of the bridge measuring circuit, in the other two shoulders of which compensation coils are included, characterized in that two correcting coils are inserted, placed on the rigid plates and included sequentially opposite to the measuring diagonal of the bridge measuring circuit.