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Bota Systems：如何選擇力扭矩傳感器

文章出處：新聞動(dòng)態(tài) 責(zé)任編輯：百世精工科技發(fā)表時(shí)間：2023-07-10 09:29:03

確保您獲得適合您的應(yīng)用的最佳力扭矩傳感解決方案可能很復(fù)雜。選擇最佳的力扭矩傳感器取決于具體應(yīng)用。了解所需的功能、規(guī)格和軟件的類型可能很棘手。這份綜合指南將使為您的應(yīng)用選擇最佳力扭矩傳感器的過程變得更加容易。

Bota Systems 傳感器在工業(yè)機(jī)器人手臂上的應(yīng)用

一、如何選擇力扭矩傳感器

在 Bota Systems，當(dāng)我們將傳感器與應(yīng)用配對(duì)時(shí)，我們關(guān)注最重要的規(guī)格，這些規(guī)格通常是范圍、無噪聲分辨率、采樣率、信號(hào)類型和大小。

1、力和扭矩范圍

我們將范圍定義為傳感器能夠從 0 N 開始測(cè)量的力或扭矩。

例如：秤的稱重能力有限為 180 公斤，如果一個(gè) 200 公斤的人走上秤，它可能仍會(huì)記錄其體重，但會(huì)輸出 180 公斤，而不是 200 公斤的準(zhǔn)確重量，因?yàn)樗姆秶拗茷槌恿繛?-180公斤。

選擇能夠測(cè)量所施加的最大力的傳感器至關(guān)重要。

對(duì)于力傳感應(yīng)用和測(cè)量，傳感器的范圍需要大于或等于要施加、測(cè)量和控制的最大力。

FT 傳感器的規(guī)格表通常會(huì)定義單軸負(fù)載的范圍。一些規(guī)格表將用二維圖來說明多軸載荷中可以實(shí)現(xiàn)的所有組合。圖表內(nèi)的所有組合都應(yīng)該是準(zhǔn)確的。落在圖表之外的組合稱為飽和信號(hào)。這些飽和信號(hào)將導(dǎo)致力測(cè)量不準(zhǔn)確 - 類似于我們的示例，體重為 200 公斤的人使用重量容量有限為 180 公斤的秤。

選擇能夠測(cè)量所施加的最大力的傳感器至關(guān)重要。

2、無噪聲分辨率

選擇傳感器的最簡(jiǎn)單方法是選擇能夠檢測(cè)應(yīng)用中要測(cè)量的最小力的傳感器。

我們將最小可測(cè)量力定義為傳感器可以測(cè)量的最小力以及它可以感測(cè)的測(cè)量增量變化。在 Bota Systems，我們稱之為無噪聲分辨率。

了解您的應(yīng)用所需的最小可測(cè)量力并將其與傳感器的無噪聲分辨率直接進(jìn)行比較是選擇具有適當(dāng)靈敏度的傳感器的最佳方法。無噪聲分辨率應(yīng)小于或等于測(cè)量的最小力。

Bota Systems 傳感器的無噪聲分辨率定義為穩(wěn)定環(huán)境條件下 1 秒測(cè)量信號(hào)的 6σ。

無噪聲分辨率相當(dāng)于峰峰值噪聲

人們可以使用 Analog Devices 的這份應(yīng)用筆記來計(jì)算有效分辨率或與噪聲相關(guān)的其他信號(hào)特性，以進(jìn)行更復(fù)雜的信號(hào)處理。

3、最小采樣頻率

采樣頻率本質(zhì)上是傳感器每時(shí)間單位（秒）收集的數(shù)據(jù)量。這些數(shù)據(jù)包以相同的速率和非常小的延遲傳送到傳感器的輸出端口（串行或 EtherCAT），稍后將對(duì)此進(jìn)行討論。它以每秒采樣數(shù)來測(cè)量，有時(shí)以赫茲為單位。

例如：當(dāng)我們?cè)谥悄苁謾C(jī)上錄制視頻時(shí)，視頻本質(zhì)上是從智能手機(jī)的視覺傳感器捕獲的一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)圖像。一秒鐘內(nèi)出現(xiàn)的圖像數(shù)量稱為幀速率或幀頻率。幀速率以每秒幀數(shù) (fps) 表示，幀頻率以赫茲 (Hz) 表示。屏幕上視頻重建的質(zhì)量取決于每秒有多少圖像。 fps 越高，視頻看起來越流暢、越自然。低于 30 Hz 時(shí)，人眼可以檢測(cè)到閃爍，并且一些信息會(huì)丟失。因此，建議錄制或播放視頻時(shí)使用30Hz以上的頻率，以獲得更流暢的圖像質(zhì)量，以便人眼檢測(cè)到更多信息。

力傳感器信號(hào)也會(huì)發(fā)生同樣的情況。我們使用每秒樣本數(shù)，而不是每秒幀數(shù)。與視頻信號(hào)的三維性質(zhì)不同，力傳感器信號(hào)更簡(jiǎn)單且一維，并且對(duì)應(yīng)于力 (N)。

如果您有一個(gè)采樣率為 1000 Hz 的傳感器，并通過按下傳感器來激勵(lì)該傳感器，則意味著傳感器每 1 毫秒收集一個(gè)樣本。

采樣率很重要，因?yàn)樗c傳感器重建詳細(xì)信號(hào)的能力相關(guān)。機(jī)器人的計(jì)算機(jī)獲得這些信息的速度越快，它就能越快地采取行動(dòng)并糾正所施加的力。

整個(gè)系統(tǒng)帶寬的識(shí)別與應(yīng)用動(dòng)態(tài)有關(guān)。如果應(yīng)用程序控制兩個(gè)低質(zhì)量金屬件之間的沖擊力，則 1000Hz 采樣頻率可能不足以檢測(cè)硬接觸期間的尖峰。然而，大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用不需要這么高的要求，200 到 500 Hz 之間的任何頻率通常就足夠了。

先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，例如快速四足運(yùn)動(dòng)，可能需要超高的采樣頻率，因?yàn)槟_與地面的接觸時(shí)間少于 20 毫秒。在這么短的時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人控制器需要高頻傳感器來分析信號(hào)、處理信號(hào)并快速響應(yīng)。

以下是常見力傳感應(yīng)用的采樣頻率范圍列表：

- 手腕力扭矩傳感器 -由于控制器較慢，50 至 200 Hz 通常就足夠了；

- 手動(dòng)操作 - 50 至 200 Hz；

- 空氣動(dòng)力測(cè)量 - 5 至 100 Hz；

- 手術(shù)機(jī)器人的力測(cè)量 - 100 至 1000 Hz；

- 雙足運(yùn)動(dòng) - 400 至 1000 Hz；

- 監(jiān)控和后處理——越高越好。后處理的優(yōu)點(diǎn)是錄制后可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪；

- 手動(dòng)引導(dǎo)- 10 至 200 Hz；

- 拋光- 10 至 500 Hz；

- 研磨 - 50 至 500 Hz；

- PCB 等固體高剛度組件的組裝- 200 至 1000 Hz。

4、信號(hào)類型

為了更好地了解與力扭矩傳感器選擇相關(guān)的信號(hào)類型，您可能需要熟悉信號(hào)。按輸出分類，信號(hào)和力扭矩傳感器的兩種主要類型是模擬和數(shù)字。

（1）模擬力扭矩傳感器

模擬力扭矩傳感器需要大量編程、外部電子設(shè)備以及與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的連接，使得這種力傳感解決方案更加昂貴、耗時(shí)且復(fù)雜。

然而，使用模擬傳感器的優(yōu)點(diǎn)是它可以在極端溫度下工作，這也是它們今天仍在應(yīng)用中使用的原因。

需要模擬傳感器的應(yīng)用是那些溫度、濕度、壓力等極端環(huán)境條件的應(yīng)用。

（2）數(shù)字力扭矩傳感器

數(shù)字力扭矩傳感器具有抗 EMI 干擾、電纜不會(huì)產(chǎn)生影響信號(hào)的感應(yīng)或寄生負(fù)載、集成時(shí)間更快、復(fù)雜性更低且總體成本更低的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于嵌入式電子設(shè)備和固件負(fù)責(zé)必要的計(jì)算，數(shù)字傳感器相對(duì)于模擬傳感器具有一定的優(yōu)勢(shì)：

- 噪音水平低且可預(yù)測(cè)；

- 準(zhǔn)備使用 N 和 Nm 數(shù)據(jù)；

- 由于溫度波動(dòng)的漂移很小，因?yàn)樗窃谠O(shè)備中計(jì)算的；

- 無信號(hào)混疊。數(shù)字傳感器要么工作，要么不工作；

- 與模擬傳感器相比，不需要額外的組件或外部電子設(shè)備。

憑借新技術(shù)和創(chuàng)新，數(shù)字傳感器可以在與模擬傳感器相同的極端溫度和環(huán)境下運(yùn)行。

如果數(shù)字傳感器可以適合您的應(yīng)用，我們建議選擇一種，因?yàn)槟M傳感器更復(fù)雜，如果您不是專家，則容易出現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤。