基于冗余光反射器的紧凑型单轴关节扭矩传感器及二次规划标定

本研究提出了一种基于非接触光反射器的关节扭矩传感器，用于精确的关节级扭矩控制和安全的物理交互。许多协作机器人由于齿轮箱的黏性/摩擦以及电流-扭矩非线性，特别是在静止条件下，导致低扭矩精度较差。所提传感器通过光学测量弹性结构的微变形，并采用由四个方向排列的冗余光反射器阵列来提高灵敏度和信噪比。我们进一步提出了一种基于二次规划的标定方法，利用冗余性抑制噪声并提升分辨率，与最小二乘标定相比效果更佳。该传感器实现了紧凑的体积尺寸（直径96 mm，厚度12 mm）。实验表明，z轴扭矩测量的最大误差为0.083%FS，均方根误差为0.0266 Nm。标定测试显示，所提标定方法在无滤波条件下实现1 kHz下的3σ分辨率为0.0224 Nm，相较于最小二乘基准提高了2.14倍。温度舱特性测试和基于有理函数拟合的补偿机制，减轻了MCU自热和电机热导致的零点漂移。通过扭矩控制和阻抗控制的电机级验证，确认了相对于电流传感器控制在低扭矩跟踪和扰动鲁棒性方面的改进。