紧凑型内嵌扭矩传感器机器人关节设计

金 力，王成军，夏科睿，毛吉灿，陆 芳

(1.哈工大机器人(合肥)国际创新研究院，合肥 230601；2.安徽理工大学人工智能学院，淮南 232001；3.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，淮南 232001；4.安徽中科米点传感器有限公司，合肥 230088)

服务行业是机器人应用的重要领域，轻型协作机器人以其轻量化、易用性、安全性等特点，成为机器人的重要发展和研究方向。一体化机器人关节作为协作机器人的核心驱动单元，对其轻量化和安全性的研究十分必要[1-2]。目前，各主要厂家协作机器人主要应用于工业生产，其关节主要采用一体式谐波减速机方案，难以实现紧凑和轻量化。且关节无扭矩传感器配置，力控主要基于驱动器电流反馈方案，力控精度较差。

通过采用定制化三组件谐波减速机、定制化高功率密度电机和定制化扭矩传感器方案，实现一体化关节的紧凑化和轻量化，大幅降低协作机器人自重[3]。扭矩传感器作为力感知元件，相对于关节驱动器电流检测，可以更灵敏、准确感知机器人关节负载变化，从而实现协作机器人与人之间的碰撞安全性和交互柔顺性。

1 机器人关节系统方案设计

1.1 关节设计要求及指标

面向服务行业应用的机器人一般对负载要求较小，对力控及安全性要求较高。根据机器人一体化系列关节的设计方法，关节负载主要由受力最薄弱的谐波减速机限制，考虑使用14、17型减速机，进一步得到关节负载能力设计指标。使用无框力矩电机，额定转速一般设计为3 000 r/min，根据式(1)，由谐波额定负载转矩可折算得到电机额定转矩Tm，其计算公式为