收稿日期:2003-07-28基金项目:国家“863”计划资助项目(2001AA423140)
作者简介:崔建伟(1969—
),男,山西长治人,高级工程师,主要研究方向为主从遥操作机器人、力觉临场感技术、
机器人传感器。
文章编号:1000-8829(2004)06-0008-03
一种微型机器人手指关节角位移测量装置设计
De signing of a Micro Mea surement Instrument for Robot Finger Angular
Displacement
(东南大学仪器科学与工程系,江苏南京 210096) 崔建伟
摘要:针对手控器中手指关节空间狭小的特点,设计了一种基于
H oney well 公司的磁阻芯片H MC1512的微型机器人角位移测量装置。介绍了这种装置的原理和特性、测试电路及温度补偿方法、使用方法。标定实验结果表明,这种装置可在0°～180°量程内获得3mV/′的分辨力及0.1°的精度,并具有足够的抗干扰特性。
关键词:磁阻传感器;手控器;机器人手指关节;角位移中图分类号:T M93.6.6;TP212.13文献标识码:A
Abstract :A micro angular displacement measurement instrument is re 2searched for strait space of robot finger.The designing is based on the American H oney well ’s magneto resistive sens or H MC1512.I ts princi 2ple ,signal process circuit and the method of tem perature com pensate ,application of this device is introduced.The experiment result shows that the sensitivity of the device is 3mV/′,its maximum error is less than 0.1°in the range of 0°～180°and has fine per formance of anti 2inter fer 2ence.
K ey w ords :magneto resistive sens or ;hand controller ;robot finger joint ;
angular displacement
手控器是主从式智能机器人的关键系统之一,也是一种智能化的人手臂运动测量装置,它的结构类似于机器人手臂,但与机器人手臂相比,又有许多自身的特点,其中手控器的设计要求符合人机工学原理,手指运动测量机构必须适合于人手的尺寸,因此手控器在这个部位的空间十分狭小,为传感器的选用及安装带来困难。
传感器是机器人智能的基础。在机器人位姿测量中,角位移是最常见的物理量。在主从式系统中,为了实现良好的临场感,要求对机器人的构件进行重力补偿,这就需要同时测量机器人的角速度、角加速度,因此,高精度角位移测量是主从式机器人保持正确运动位姿的必要条件。目前,用以测量角位移的原理有电阻式、电容式、电感式、光学等多种[1],市场上已经形成的产品也五花八门,种类繁多,但是,由于手控器手爪部位的空间
非常狭小,这些传感器常常不能使用。利用材料的磁阻特性研制的磁阻传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高的特点,但从公开发表的文献看,目前磁阻传感器较多应用于弱磁测量,如航姿定位系统和生物医学仪器中[2～3],也有人将弱磁测量装置应用到机器人系统中[4],但弱磁测量易受外界电磁干扰,屏蔽措施占据较多的空间和重量,不适合于机器人手指关节。文献[5]中介绍了Philips 公司的K M11521型转速传感器,这种传感器也可以用于角位移测量,且能做到小型化,但其测量精度受产生脉冲信号齿轮齿数制约,用于角度测量,精度难以提高。针对这种情况,笔者在国家“863计划”有关手控器项目中采用了H oney well 公司的一种新型磁阻芯片H MC1512,设计了一种角度传感器,它的外形尺寸仅为Φ12×12.5(直径×高,mm ),而且也能方便地用于其他情形下的角度测量,针对这种传感器的温度特性设计了比较特殊的温度补偿方法,保证了传感器的测量精度。
1 磁阻测角原理及H MC1512简介[6]
通常铁磁性材料具有各向异性,采用特殊工艺制成薄片形状,它的电阻值能跟踪周围磁场的变化。H oney well 公司利用这一原理研制了许多对磁场方向敏感的磁阻传感器芯片,其中H N1512、H M1501是一种工作在磁饱和状态的变换器件,当外加磁感应强度达到80G s (1G s =10-4T )时,芯片即处于磁饱和状态,此时,它的阻值仅与磁场方向有关,因此能感知周围磁场相对于芯片的角度。H oney well 公司已经将8个阻值约为2.4k ±
400Ω的磁电阻集成在一个
芯片内,组成2个Wheatstone
电桥,图1所示为其中的一个桥,它由4个公称阻值为
2.4k
Ω的磁阻R 组成,当外加磁场强度大于80G s 时,理论上,R 仅受外加磁场方向影响。H NC1512采用8引脚S OIC 封装,其外形尺寸如图2所示,可见,用它有可能组成很小的传感器。
H MC1512的量程为±90°,分
辨力为0.05°,基本上能满足手控器设计精度为0.1°、量
?
8?《测控技术》2004年第23卷第6期
程±60°的要求。H NC1512的输出特性为
V o=K t V s?S sin(2θ)+C o k t(1)式中,V o为基于这个芯片的测试电路的输出;V s为桥路供电电压;S为与磁阻材料有关的常数,典型值为12mV/V;K t为与温度有关的增益;θ为外部磁场相对于芯片内部基准的方向;C o 为由芯片工艺等引起的输出偏置;k t是这个偏置的温度系数。高精度的测试电路必须处理好芯片的温度特性。
2 基本测试电路设计
从式(1)可看出,H MC1512的数学模型非常简单,但需要注意的是,这种芯片的温度系数较大,根据H oney well公司的产品资料,H MC1512的几个典型温度系数大致为:桥臂电阻温度系数0.28%/℃,灵敏度测试系数-0.32%/℃,桥路偏置温度系数-0.01%/℃,可见,温度变化是设计测试电路中的关键,温度补偿的方法有多种,H MC1512上有两组电桥,可以用其中一组作基本测试电路,另外一组作温度补偿,但是,这种方法只能补偿桥臂电阻阻值变化对桥路输出的影响,而实际上,温度变化还同时影响电桥的灵敏度,所以这种方法不能获得高的测量精度。另一种常用的方法是直接测量芯片的温度,然后进行数字补偿,但是,一般无法直接测得芯片内部的温度,而且许多元件都有温度滞后的特点,所以如何准确地测出芯片内部的温度成为这种方法的关键。笔者采用了后一种方法,测量原理如图3所示,其原理为:由T L431输出一个2.5V的基准电压,这个基准电压由R12、R15限流后分别形成两个恒流源,MR?I B形成磁阻传感器的供电电压,而V B=MR?I B+2.5,I T形成相应的温度参考基准电平V T=I T R14+2.5,设传感器的工作温度范围为T±ΔT,则取R14=MR(T=T0),而R12=R15,则I B=I T。RG1和RG2为运放AD620的放大倍数设置电阻,R13为V T out调零电阻,当温度为T0时,调节R13使得V T out=0。由于T L431的平均温度系数在0～70℃低于30×10-6,而在常温附近,这个系数接近于零,因此可以满足手控器10～30℃的要求。R14实际上可由一个电阻和电位器组成,用于模拟MR桥阻,调整R14,使得某一温度下,输出V T out为零,作为一温度基准。
图3 角位移与温度测试电路
可以首先标定出磁阻传感器在各种温度下的桥阻,一般商用化磁阻的这一特性有较好的线性,图4为0～36℃的H MC1512桥阻标定曲线,从图中可看出,桥阻的线性度很好,用最小二乘法求解桥阻的温度系数为0.27%,与资料所给数据接近。由于图3中V T out本身就代表了温度的变化,所以可以不必再求出实际温度值。在V T out不变的情形下完成每一次试验中,取得几组传感器的标定数值,可以用二维插值的方法求出相应输出的角位移,也可以用最小二乘法直接求出式(1)中的系数,这方面的算法已经非常成熟,兹不赘述
。
图4 磁阻2温度特性曲线
从式(1)和图4还可以看出,H MC1512的一个桥路的输出曲线单调性区间范围只有90°,这一量程不能满足机器人传感器的要求。为此,使用H MC1512的另一桥臂输出扩展量程。如图5所示。H MC1512的两个桥路的输出为V A、V B,则V A的正半周和负半周分别对应V B的一个单调区间。利用这一特性可以区分
出转角处于0～90°和90～180°,从而,传感器的量程可增加。
图5 用另一桥臂扩展量程
3 传感器的外形设计
传感器的外形起安装、保护、屏蔽外部磁干扰的作用。如图6所示,下盖、本体采用工业纯铁材料,组成一个屏蔽的空腔,用绝缘材料制成的螺圈和垫圈将焊有传感器的前级电路板固定在本体内,转子用不导磁材料制成,磁棒安装在转子上的小孔内,它的材料为钕铁 ,其磁场强度为500G s,当与传感器间的距离为1mm内时,传感器的输出不再受磁棒与H MC1512距离的影响。根据实验,当本体和下盖的厚度为0.5mm时,将与磁棒相同材料,磁感应强度1000G s的磁棒接近传感器,传感器的输出不受影响,同样,将传感器置于所用电机(24V、40W力矩电机)的附近,传感器的输出同样不受影响,证明,壳体足以屏蔽使用环境中的电磁干扰。由于转子相对于壳体有相对运动,所以安装时要保证转子与壳体间的间隙。下盖的指口用于传感器壳体的定位,下盖的通孔与转子间有0.05mm的径向间隙,用于保证转子的转动。安装时,先将下盖固定在安装位置,用厚薄规调整转子端面与下盖间的轴向间隙为0.1mm,然后用紧定螺钉将转子固定在所要测量的轴上,最后,将已经装好电路板的本体和
图6 传感器的结构
?
9
?
一种微型机器人手指关节角位移测量装置设计
下盖一起固定安装在机器人关节转轴的机架上。从上述分析可知,由于H MC1512的零位可能与机器人的零位不相同,这虽然不影响传感器的测量精度,但一般希望尽量减小这一差异,为此,要多次重复上述步骤。
4 实验数据
图7为这个传感器的标定实验装置。图中,1为机械转台,它的读数值为1′,精度为±1′,可连续360°旋转,2、3
为连接装置,固定在机械转台的转盘上,用以安装传感器的转子,安装时要用百分表找正。4为与机械转台相连的平板,用以安装传感器的下盖和本体,使用专门设计的工具使得夹板上的定位孔与2、3同轴。转动机械转台的手柄,并记录传感器的输出,则可以评价和标定传感器的性能。如前所述,由于安装时并不能准确找到传感器本身的零位,所以,机械转台的零位也不是传感器的零位。采用图3的电路,电源电压为±9V,磁阻芯片的供电电压为±6.5V,测得一组数据如表1,从表1可以看出,该测量方法可以获得3m V/′的分辨,完全可以满足机器人手指关节位移的测量。
图7 标定实验台
图8 传感器的输出特性
表1 实验数据
45°30′～45°39′传感器的输出/V,T=25℃,V T out=0 30′31′32′33′34′
2.3973 2.3988 2.4011 2.4029 2.4049
45°30′～45°39′传感器的输出/V,T=25℃,V T out=0 35′36′37′38′39′
2.4086 2.4110 2.4133 2.4151 2.4177
参考文献:
[1] 张福学.机器人学———智能机器人传感技术[M].第一版.北京:电
子工业出版社,1996.
[2] 袁智荣,李智.一种新型磁阻传感器的研究及应用[J].测控技术,
1999,18(1):39-40.
[3] 潘建.霍尼威尔磁阻传感器及其应用[J].国外电子元器件,2002,
(2):63-68.
[4] 蒋新胜,马光彦,李华兵,王永风.基于磁阻传感器的虚拟现实跟踪
系统[J].传感器技术,2002,21(5):62-64.
[5] 沙占友,王彦朋,孟志永.单片机外围电路设计[M].北京:电子工
业出版社,2003.
[6] 过璧君.薄膜磁阻传感器及其应用[J].磁性材料及器件,1994,25
(3):27-33.
2004年西南三省一市自动化与仪器仪表学术年会征文通知
中国自动化学会、中国仪器仪表学会2004年西南三省一市(四川、重庆、云南、贵州)自动化与仪器仪表学术年会拟定于2004年10月中旬在四川成都(或峨眉山市、九寨沟)召开。这次年会将邀请国内资深的自动化、仪器仪表方面的专家学者来川做专题学术报告。所用论文将在《四川大学学报》(自然科学版)增刊上出版、发行。
征文范围:信息技术、自动控制技术、自动控制理论、系统辨识、现场总线、电气传动、运动控制、过程检测与控制、工控机应用、供配电装置、可编程控制器、数控技术、单片机应用、DSP及其应用、制造业信息化、仪器仪表、检测与传感技术、执行机构、电力电子技术、智能监控、智能建筑、交通监测、集散控制、电源技术、模式识别与人工智能、机电一体化、计算机通信与网络、嵌入式应用、组态软件等。
征文要求:
①论文内容应符合征文范围,理论联系实际、论点明确、论据充分、重点突出、简明扼要,反映国内先进水平,已在国内外公开刊物上发表的文章,恕不再录用。
②综述文章一般不超过6000字,实用论文不超过3500字,关键词不超过5个,标题20字以内,参考文献不超过8篇。
③论文还应包括:论文题目、作者姓名、工作单位、详细通信地址、邮编、联系电话、中英文摘要(200字以内)。
④论文截止日期:2004年8月31日(以邮戳为准)。
⑤如审查通过录用,将于2004年9月初之前通知作者,请作者于2004年9月底将版面费400元(限4页,超过4页的,每页加收100元),寄至四川省自动化与仪器仪表学会秘书处(注明论文版面费)。
⑥来稿请一律用计算机打印,并提供计算机软盘或发电子邮件,文件格式用W ORD(或北大方正),每稿一式二份。
⑦论文中、外文字母应分清大小写、正斜体。各类公式符号要清楚,上下标、数码、符号,请用铅笔注明大小写。计量单位符合国家标准。
⑧论文中插图应清晰可辨,照片图要求分辨率在400像素/英寸以上,层次分明;曲线图(定量图)要求线条平滑、粗细均匀,并注明坐标所表示的量,采用计算机绘制,文字请自校。图文错误自负。
⑨来稿一律不退,请自留底稿。
论文寄至:成都市顺城街体育场路2号西星大厦(610015)
四川省自动化与仪器仪表学会唐仕正、游先碧收
或成都市一环路南一段24号(610065)
四川大学电气信息学院通信工程系刘奇收E2mail:zdhxx@https://www.doczj.com/doc/ac11597280.html,
联系人:唐仕正(028)8662990228015、137********
游先碧(028)8662990228002、136********
刘奇138********
□
?
1
?《测控技术》2004年第23卷第6期