ロボット工学アプリケーションにおけるトルク測定の最適化

Sep 25, 2023

モバイルロボットの世界市場は急速に拡大しています。 導入がより簡単で安価な低コストロボットの出現により、協働ロボットや協働ロボットは新たな産業用および消費者向けアプリケーションを見つけています。 協働ロボットは、関節に組み込まれた位置およびトルク感知を使用して、自動制御と安全な操作を可能にします。 ISO 10218-1 は、産業用ロボットの安全要件と設計ガイドラインを定めた国際規格です。

これには通常、関節内の電気モーターの監視に加えて、少なくとも 1 つの力トルク センサーを使用する必要があります。 Doosan 製の協働ロボットや最新の KUKA LBR iiwa マシンなど、最近の協働ロボットにはすべての関節にトルク感知機能が備わっているものもあります。

ISO 10218-1 安全規格を満たすのに役立つだけでなく、ロボット メーカーは、複数のトルク センサーを使用することで、トルク センサーからの入力を使用してロボットの四肢の質量と積載量を補償する高度な運動学によるシステム制御を改善することもできます。ロボットの高速かつ制御された安全な動きを実現します。

アクセサリーとして、またはツールの動作制御を支援するためにロボットツールに組み込まれたセンサーシステムの市場もあります。 現在、ロボット工学アプリケーションにおけるトルク測定には、ひずみゲージ センサーと変位センサーという 2 つの主要なテクノロジーがあります。

ロボットの関節部にあるフレックスプレートにひずみゲージを取り付け、回転トルクを測定する従来の方法です。 トルクによるひずみの変化は、電気信号の変化として記録されます。

ひずみゲージの利点は、比較的低コストであり、テストラボのように少量で簡単に適用できることです。 ただし、ロボット関節のひずみゲージには次のような欠点もあります。

測定可能なひずみを提供するには、フレックス構造とホイートストン ブリッジ回路に配置された 4 つのゲージを使用する必要があります。 これにより、システムの機械的完全性が損なわれ、ロボット アームの剛性がセンサーなしの場合よりも低下します。

ひずみゲージは通常、過酷な環境に対する堅牢性や耐性がなく、出力は温度の影響を受けます。

これらは、背景の電磁放射や磁場からの干渉を受けやすくなります。

この方法は通常、シャフトの両端に取り付けられた一対の測定ディスクを使用し、シャフトの「ねじれ角」は光学的または磁気測定を通じてそれらの間の位相差から測定されます。 これによりトルクを計算することができます。

主な利点は、「ツイスト シャフト」の最大負荷容量までセンサーに過負荷をかけることができることです。 この方法の欠点は次のとおりです。

ねじれ角（長さと直径の比 L/D = 5 の場合最大でも数度）を高めるには、トーション バーと呼ばれるシャフトの直径を小さくする部分が必要ですが、これはシャフトの機械的安定性に悪影響を与える可能性があります。システム。

温度に敏感です。

測定精度には限界があります。

トーションバーの長さに沿ってシャフトのねじれを測定する必要があるため、より大きな梱包体積が必要になります。

これらの既存のテクノロジーはいずれも、ロボットの関節にねじれや屈曲の要素を必要とし、これはロボット アームが動作中に屈曲することを意味します。 これは、協働ロボットのパフォーマンスと再現性を制限する要因となる可能性があります。

Transense の表面弾性波 (SAW) センサー技術は、ロボット システムのトルク、回転、温度を測定する改善された方法を提供し、関節の屈曲を排除し、よりコンパクトな関節を備えた高性能で再現性の高いロボットを作成します。 SAW テクノロジーは、ワイヤレス、パッシブ、非接触センシング システムであり、次の 2 つの主要コンポーネントで構成されます。

リーダーは質問信号を作成し、RF カプラーを介して回転シャフトに送信します。 シャフト上の感知要素は他の電源を必要とせず、質問信号をリーダーの電子機器に反射する受動的なデバイスとして機能します。 後方散乱信号の振動周波数は、ひずみや温度などの物理的測定値の影響を受けます。

リーダーは受信した後方散乱信号を分析し、物理的ひずみと温度の値を計算し、シャフト表面のひずみからシャフト トルクを正確に測定します。

パッシブワイヤレスセンサーの読み取り範囲は、問い合わせ電力によって制限され、必要なセンサーの解像度と更新レートに依存します。 問い合わせ電力が 10mW で、数十ミリ秒の更新期間が必要な場合、一般的なセンサーの読み取り範囲は数メートルを超える必要はありません。 ほとんどの非接触回転トルク測定アプリケーションでは、センサー アンテナとリーダー アンテナ間の距離は 10 mm 以上である必要はなく、トルク更新周期は 100 マイクロ秒程度で済みます。

SAW センシング素子の重要な部分は、研磨された圧電基板上に作られた小型軽量 SAW デバイスです。 表面弾性波は、小型のインターデジタル トランスデューサー (IDT) によって励起された後、その自由表面上を伝播します。 IDT は、集積回路の製造に使用される標準的なフォトリソグラフィー プロセスによって形成される薄膜アルミニウム構造です。

IDT は、数百 MHz の周波数の電気 RF パルスを SAW に変換し、圧電効果によりそれらを RF 信号に戻します。 IDTが薄いアルミニウムストリップの周期的アレイの形をしたブラッグ反射格子で囲まれている場合、SAWのエネルギーは格子間のキャビティ内に閉じ込められ、SAWデバイスは共振器として機能します。

ひずみが加えられたり、基板の温度が変化したりすると、基板の物理的寸法や SAW 速度も変化します。 これにより、共振周波数がひずみと温度に敏感になるだけでなく、SAW 共振子をひずみと温度の感知素子として使用できるようになります。

この技術はすでに困難な用途で実証されており、たとえば、マクラーレン アプライドは、レーシングカーのパワートレインでエンジンのパフォーマンスを測定および管理するためにこの技術を世界中のモータースポーツ チームや選手権に供給しています。 この技術は、GE によって防衛ヘリコプター用途向けの最新の T901 タービン エンジンの効率を高め、メンテナンス コストを削減するために使用されています。

Transense はまた、自動車市場における電気駆動システムの複数のメーカーと協力しており、SAW 技術を使用して電気モーターの出力トルクとローター温度を測定し、モーター制御と機能安全性を向上させることができます。 機械的剛性を低下させることなくコンポーネントを測定できる SAW テクノロジーの機能と、その高レベルの精度と堅牢性により、多くのセンシング アプリケーションの可能性が広がります。

この記事は、Transense (英国オックスフォードシャー) のビジネス開発ディレクター、Ryan Maughan によって書かれました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Tech Briefs Magazine の 2023 年 6 月号に初めて掲載されました。

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