机器人六维腕力传感器标定方法和标定装置的研究.doc

机器人六维腕力传感器标定方法和标定装置的研究第26卷第1期2005年1月计量ACTAMEIR0LOGICASINICAVo1.26.lJanuary2OO5机器人六维腕力传感器标定方法和标定装置的研究郑红梅,刘正士,王勇(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009)摘要:通过对机器人六维腕力传感器系统的各种标定方法的分析讨论,说明了应采用阶跃响应的方法来对它的动态性能进行标定.从矩形脉冲频谱对系统传递函数影响的角度,说明了为减少矩形脉冲频谱对传递函数标定曲线的干扰,应使阶跃激励开始时刻前的采样点数为零.新设计的实验方法和实验装置便于测出标定中使用的激励信号,通过数据采样系统的软触发功能,准确抓取到阶跃开始时刻,减少了干扰.同时,在该实验台上加载所使用的定滑轮数量较少,也有效地减小了标定误差.关键词:计量学;六维腕力传感器;动态标定;阶跃响应;软触发中图分类号:TB931文献标识码:A文章编号:1000一ll58(20o5)1-004304StudyontheMethodofDynamicCharacteristicCalibrationofthe6一AixsWristForceSensorforRobotZHENGHong-mei,LIUZheng-shi,WANGYong(SchoolofMechanicalandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui230009,China)Abstract:rnlesteplsponsemethodshouldbeapedinthedynamiccharacteristiccalibrationofthe6一aixswristforcesen-sorforrobotand80mecomparisonsaremadewithothercalibrationmethods.Beforestartingthestepdrivepulse,thesamplingnumbershouldbezeroinordertoreducetheinterferencefromtherectanglepulsesignalspectrumtotransferfunction.Anewde-signedexperimenttableiseasytogetthedrivesigna1.Addedbysamplingprogram,thetriggertimeofstepdrivecanbecaptured.nlen,theinterferencecanbereducedtozeio.AveryfewofcrownblocksontheexperimenttableCOuldbeused,thUSthecallbrafionelTorisreduced.Keywords:Metrology;6一axiswristforcesensor;Dynamiccharacteristiccalibration;Steprosponse;Softtrigger1引言机器人六维腕力传感器是机器人最重要也是使用最广泛的一种传感器,将它安装在机器人操作手腕部,用来检测机器人操作手与外部环境相互接触或抓放工件时,三维空间的全力信息,为机器人力控制,力/位置混合控制系统提供反馈信息.由于设计和制造等原因六维腕力传感器不可避免地存在测量误差,且各输出通道之间存在着相互耦合和干扰,另一方面,传感器阻尼比小,达到稳定时间长,而随着高速,高精度机器人的发展,一般要求机器人控制系统中的伺服数字采样周期为毫秒级,对传感器的动态性能的研究也显得越来越重要.因此六维腕力传感器的标定应包括动态和静态两个方面,其标定方法和装置远比一般的一维力传感器复杂得多.目前,国内外对腕力传感器的标定主要集中在静态方面,如传感器的数字解耦,线性和灵敏度的标定,输入力的作用点偏离和作用线偏斜等所引起的输出误差的分析,而对动态性能及其标定的研究较收稿日期:20030508;修回日期:20030624基金项目:国家863计划智能机器人主题资助项目(8635120202);合肥工业大学科学研究发展基金项目(030206F)作者简介:郑红梅(1966一),女,安徽长丰县人,合肥工业大学机械与汽车工程学院副教授,主要从事CAT/CAD/CAM及系统动力学研究.计量2005年1月少.国际国内市场上销售的腕力传感器的产品说明书中也没给出动态性能指标,只有A/D转换后微处理器的信号处理时间,它并不能反映从加力至传感器输出达到稳定的时间.研究可靠性和准确度高的传感器标定方法和标定装置对传感器的研制,标定都非常重要.对传感器的静态标定进行加载较为容易,实验装置的设计也较为简单,但对动态标定装置的设计将随标定方法的不同而改变.2标定方法的选择2.1用脉冲响应法进行标定实验时只需头部带高精度压电式传感器的脉冲锤和安装有腕力传感器的支架,设备较简单.在脉冲试验时,用脉冲锤敲击腕力传感器,脉冲锤自带的压电式传感器和六维腕力传感器分别输出激励和响应信号,对激励和响应信号进行采样后再标定.经多次实验发现,用脉冲响应法进行标定时,脉冲锤的施力点和施力方向很难确定,虽实验过程简单,但实验的准确性和重复性较差.由于很难准确施加脉冲激励力矩信号,因而难以对腕力传感器的力矩测量准确度进行标定.2.2用频率响应法进行标定实验时需用不同频率的谐波信号进行激振或对传感器进行连续扫频,而且传感器的固有频率也应被包括在激振或扫频的频率范围内.由于腕力传感器的固有频率一般在6001000Hz之间,测量的频率范围大,用不同频率的谐波信号进行激振所需实验次数太多,实验繁杂费时.现有的实验设备又很难准确产生连续扫频所需的频谱激振信号,因而用此方法进行标定较难实现.2.3用阶跃响应法进行标定用实验的方法产生阶跃激励信号相对较为容易,而且系统的性能指标多是以系统对单位阶跃响应的形式给出的.机械手在实际操作中,如抓起或放下工件,给腕力传感器的输入与阶跃输入相似,阶跃输入往往又是实际操作中最不利的输人情况.另外,根据系统对单位阶跃输入的响应也比较容易求得对任何输入的响应.产生阶跃激励信号常用的方法是在实验台上用细绳悬挂砝码,通过定滑轮组给力传感器施加力(或力矩),然后剪断细绳突然释放砝码,从而产生一个负的阶跃力,力矩,即对传感器施加阶跃力(或力矩)的激励信号.3加载方法的讨论文献4是采用释放砝码产生负阶跃激励的方法,进行六维力传感器的动态建模,其加载方式如图1所示.nIlh剪断处I器X厂,-_y(a)旖加Mx(My)3-(b)施加力图1文献4中传感器动态建模实验加载示意图图1所示实验装置的设计思想很好,但由于当时实验条件限制,还存在一些不足.从图1中可以看出,其加载所用的绳子较长,定滑轮较多.根据文献5对向加载时加载系统的误差分析可知,加载系统的误差是由砝码的误差,滚珠轴承摩擦力矩引起的误差以及实验台结构,制造,装配和调整等误差引起的.要减小标定误差,应减少加载装置中使用的定滑轮数目,减短悬挂砝码所用绳子的长度,另外还要提高实验台上每个零件的制造精度和实验台的装配精度,否则会直接影响传感器的标定准确度.在用阶跃响应的方法建立传感器的动力学模型时,为消除矩形脉冲频谱对系统传递函数的影响,实际做Fftr时应抓取阶跃开始时刻,使阶跃前的采样点数为零,因为采样点数决定着传递函数曲线中干扰的大小,对系统辨识影响很大.图2为阶跃时刻开始前采样点数不同时的传递函数受干扰的情况,从图2可以看出,阶跃开始时刻前采样点数越多,干扰越大,当采样点数为1时,干扰频谱基本为直线,干扰很小,因而准确获取阶跃开始时刻对传感器动态标定非常重要.由于实验条件的限制文献4不能直接测量出激励信号.在建立传感器的动力学模型时,根据砝码的重量在计算机上用程序构造了一个激励信号.但在实际的实验过程中,由于绳子的长度,绳子的弹性和定滑轮的摩擦等原因,使得阶跃激励起始时刻与截断绳子时刻并不同步,难以获取准确的阶跃信号开始时刻,必然会造成矩形脉冲频谱对系统传递函数的影响.再者,由于定滑轮组内存在摩擦等原第26卷第1期尚丽平等:水中微量矿物油污染的光纤荧光监测技术及应用研究85油浓度测量仪测量结果与FR.540荧光分光光度计测量结果非常相符.5应用与结论在胜利石油管理局环境监测总站,山东省日照市环境监测站等单位配合下,进行了矿物油污染的常规监测实验.与此同时,进行现场同步采样,实验室按国标法进行分析测量,并进行对比分析,取得了良好的实验结果.日照港港池内的矿物油污染主要来自船只动力燃烧柴油,在港池内共进行了5个点位的测量,采样及仪器光纤探头投放深度为表层,各测点按国标GB17378.41998用725紫外分光光度计测量,见表4.测量结果表明:(1)用光纤荧光测油仪直接测量和按国标GB17378.41998用725紫外分光光度计测量的结果基本吻合,两者具有很高的相关系数.(2)用两种方法都在日照港港池内c,D,E测点检出水中含微量油分,而A,B测点均未检出,表明港池内水质非常好,这与实际情况相符,日照港码头是新建煤炭输出码头,来往船只很少,且大多为大吨位船只,对排油,泄漏控制较好.在水中矿物油荧光特性理论分析和实验研究基础上,研制的光纤荧光矿物油浓度测量系统可实现水中微量矿物油的实时监测,仪器的检测下限为0.002Il1g,L,测量范围为0.O11.0Il1g,L,测量的最大相对误差5%(FS).表4日照港港池内5个测点测量结果对比参考文献】1夏达英,王振先,李宾,等.用于探测海水中油份的便携式油份测定仪研究J.黄渤海海洋,1998,16(4):2834.2陈国珍,黄贤智.荧光分析法M.北京:科学出版社,l990.2394.3尚丽平.水中痕量矿物油污染荧光监测全光纤实现技术及应用基础D.燕山大学,2002.(上接第45页)一种新型的标定机器人腕力传感器的实验台,其优点是使用了一个高精度的压电式传感器来测量阶跃激励信号,不必再用计算机进行虚构,从而提高了标定的准确性.在实验信号采集程序中还设置了软触发功能,用来及时捕捉阶跃激励信号的开始时刻,使阶跃激励开始时刻前的采样点数为零,消除了矩形脉冲频谱对系统的干扰.此外,在该实验台上进行加载时,所使用的定滑轮的数目较少,这也大大减小了标定误差.最后在此实验台上对一只传感器进行标定,其标定结果与理论分析结果基本一致,证明了此标定台的设计和加载方法是正确的.参考文献】.1王国泰,易秀芳,王理丽.六维腕力传感器发展中的几个问题J.机器人,1997,19(6):474478.2陈雄标,袁哲俊,姚英学.机器人用六维力传感器标定研究J.机器人,1997,19(1):7一l1.3吴涓,曹效英,宋爱国,等.Maflab在六维腕力传感器系统标定中