基于力傳感器的工業機器人力控試驗系統的研制

夏添　喻鎮濤　王金亮　石見白　袁輝

摘 要：隨著工業機器人在汽車零部件等相關試驗中的應用不斷深入，單純使用位置控制的工業機器人已無法滿足某些汽車零部件試驗中控制力和監測力的應用要求。本文研制了一種基于力傳感器的機器人力控系統，該系統是以IRB4600機器人為平臺，由三分力傳感器、力傳感器放大器、模擬量輸入端子模塊、DeviceNet總線耦合器和工控機等組成。該系統具有力閉環控制和監測功能，根據力值的反饋可以調節機器人的姿態來達到試驗要求。通過座椅強度耐久試驗的結果分析，表明該系統可以滿足機器人力控制方面汽車零部件試驗的需求。

關鍵詞：工業機器人；力控制；三分力傳感器；LabVIEW軟件

中圖分類號：U467.3 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）06-0098-04

Abstract： With thorough application of industrial robots in the automotive components test， the industrial robots using position control have been unable to meet the application requirements of the monitoring force in some automobile components test. The industrial robot force control system based on force sensor has been developed in this paper. The system is based on the platform of IRB4600 robot ，using the three-dimensional force transducer、force transducer amplifier、analog input terminal module、DeviceNet bus coupler and industrial control computer etc. According to the feedback fore，the system having the function of force closed-loop control and monitoring can adjust the attitude of the robot to meet the test requirements.The result of seat strength durability test shows that the system can meet the requirement of the test of automobile components in robot force control.

Key Words： Industrial robot； Force control； Three-dimensional force transducer； LabVIEW soft

1 引言

近年來，中國汽車工業發展迅速，市場規模、生產規模迅速擴大，汽車工業已成為國民經濟支柱產業。汽車廠家越來越重視汽車的零部件質量，隨著質量的重視，汽車零部件的試驗種類越來越多，試驗方法越來越難。汽車發展的這段時間，工業機器人的發展也非常迅猛。工業機器人具有工作效率高、穩定可靠、重復精度好、動作靈活等優勢[1]，工業機器人的應用領域不斷得到拓展，所能夠完成的工作日趨復雜，特別應用于汽車制造和汽車試驗中。

眾所周知，機器人在空間中的運動總體概況起來可以分為兩種形式：一種是機器人末端執行器的運動不受任何形式的約束，對這種運動可以采取純位置進行控制。如傳統工業機器人當中運用最廣泛的噴漆，弧焊這些不與環境物體相接觸的運動。另一種是機器人末端的運動受到空間的約束，這種形式的機器人運動隨著科技的發展已經越來越多的運用到工業生產當中。這種作業都會發生機器人和環境的交互作用，把這種作用力稱作是接觸力，即機器人具有力控功能[2]。機器人通過力傳感器與外界環境進行交互，從而調整機器人的位置姿態來滿足要求。

現在很多汽車零部件試驗不僅需要走既定的軌跡，還需要記錄軌跡過程中的力，例如換擋機構耐久試驗中要監測換檔力，汽車座椅強度耐久試驗要求用假臀模型以一定范圍的垂直力擠壓座椅等試驗。因此具有力控的機器人[3]才能完成上述試驗。

本文就是基于上述現狀，研制了機器人力控系統。該系統是以IRB4600機器人為平臺，利用三分力傳感器、力傳感器放大器、模擬量輸入端子模塊、DeviceNet總線耦合器和工控機等設備研制了具有力控閉環的工業機器人力控試驗系統。基于該系統完成了座椅強度耐久試驗，從試驗結果分析，該系統完全可以滿足機器人力控制方面試驗的需求。

2 系統的研制需求和工作原理

2.1 系統的研制需求

現有ABB機器人都只能進行純位置控制，可以用于軌跡類試驗例如車門開閉耐久試驗，然而一些零部件試驗在進行既定軌跡時候需要控制力或監測力，例如模擬人體進出座椅試驗[4]要求三維假人模型水平滑入座椅并陷入座椅邊翼和靠背邊翼各約25mm，三維假人模型旋轉30°使得模型后部內側先進入，直到模型中心線和座椅中心線對齊，模型陷入座椅直到載荷為445N后，模型約以30°和445N載荷蠕動靠背，然后模型以445N載荷停留在座椅直到一半移出座椅，以4.5次/min重復上述過程15000次。基于上述需求，只有把力控制引入到工業機器人控制系統中來，使得機器人能夠對外界力產生適時的反饋并且對產生的力進行調整，才能使得機器人具有力控功能，滿足試驗的要求。

2.2 系統的工作原理

將力傳感器集成到機器人控制中，就可以使得機器人具有力控功能。將力控制加入機器人的控制系統中，主要涉及到力信號的傳遞過程和力的處理過程。該系統的工作原理如圖1所示，它包含兩個過程：a）力信號的傳遞過程：機器人末端的ME力傳感器K3D120將力信號通過FC-GSV-11H力傳感器放大器進入倍福KL3001輸入模塊，KL3001輸入模板通過倍福BK5250總線耦合器與機器人控制器進行DeviceNet通訊，機器人控制器獲得實際力。同時機器人控制器通過工業以太網EtherNet與上位機的監測軟件進行通訊，讓力值以圖形形式在上位機上顯示；b）力信號的處理過程：在試驗運行中，機器人控制器接受到實際力值，機器人的試驗程序將實際力值與目標力進行比較，在下個周期調節機器人位置姿態來到達力的目標值，從而實現機器人的力控功能。

3 系統的研制

3.1 硬件平臺的設計

硬件平臺如圖2所示，主要包括型號為IRB4600的ABB機器人、三分力傳感器、力傳感器放大器、模擬量輸入端子模塊、DeviceNet總線耦合器、PLC和工控機等設備。三分力傳感器安裝在機器人第六軸法蘭盤上，用來測量在傳感器坐標系下x、y、z三方向所受的力。三分力傳感器、力傳感器放大器和模擬量輸入端子模塊都安裝在機器人控制器里面。PLC、工控機和一些電器元件安裝在定制的控制柜里面。

3.2 軟件平臺的設計

系統軟件部分包括機器人示教器的人機交互界面和工控機上的信號圖形顯示界面等兩部分組成。

機器人的人機交互界面由ABB公司提供的圖形化語言工具ScreenMaker編寫的。圖形化語言工具ScreenMaker提供現成圖形，我們只需設置相應控件的屬性即可完成相應控件的功能，不需要關心底層的程序，便于上手。機器人的人機交互界面如圖3所示，它由壓力參數設定、機器人狀態和校準三個功能模塊組成。壓力參數設定界面如圖4所示，它的功能主要是顯示三分力傳感器的力信號的實際值、設定的保護值和容差值以及試驗開始前對力信號進行置零的功能。機器人狀態界面如圖5所示，它的功能主要是設置試驗次數、試驗載荷、力控偏移值等試驗相關參數，同時顯示系統的工作狀態。校準界面如圖6所示，它的功能主要是對三分力每個方向的力進行標定，以后換傳感器可以很方便的進行標定。

工控機上的信號圖形顯示界面主要功能是力信號的圖形顯示和數據采集存儲。LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，類似于C和BASIC開發環境[5]，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。它是一種用圖標代替文本創建應用程序的圖形化編程語言，可用來非常方便地創建用戶所需界面。鑒于LabVIEW這些優點，信號圖形顯示界面主要是采用是現在主流的圖形編程語言LabVIEW編寫而成的。信號圖形顯示界面如圖7所示，在LabVIEW軟件的前面板利用現成的控件設計了力信號圖形和采集存儲顯示界面。該界面主要包括三個方向力的實時顯示大小、試驗運行的次數、試驗數據的存儲等功能。前面板中控件的功能實現是需要在流程圖中利用圖形化源代碼進行編寫實現的。信號圖形顯示界面中圖形顯示模塊功能的流程圖程序如圖8所示：

4 系統的驗證

為了驗證系統的可行性，我們利用機器人力控系統進行汽車座椅強度試驗。汽車座椅強度試驗的要求是座椅的坐墊受100N-300N的上下往復載荷，循環次數為10萬次。機器人力控系統進行座椅強度試驗的試驗臺如圖9所示：

圖10為自行研制基于力傳感器的機器人力控系統對座椅進行疲勞強度試驗的過程中實時繪制的力值曲線圖。由于座椅表面有一定水平角度，因此三分力傳感器x和y方向會受一定的力，從力值曲線圖可知，三分力傳感器x和y方向所受的力值很小，不影響座椅受力情況，同時可知三分力傳感器z方向所受力值符合試驗要求。因此，機器人力控系統滿足座椅強度試驗的要求。

5 結論

本文通過力傳感器將力控制引入到工業機器人控制系統中來，使得機器人能夠對外界力產生適時的反饋并且對產生的力進行調整，使得以位置控制的機器人具有力控功能。本文利用該系統進行了座椅強度耐久試驗，從試驗結果分析，該系統完全可以滿足座椅的試驗要求，驗證了該系統的可行性。該系統還完成了一些監測換檔力的換擋機構耐久試驗、汽車鈑金件的剛度試驗和車內儀表板總成的零部件剛度試驗，試驗結果可靠。該系統在汽車零部件力控試驗中具有很大的應用價值。

參考文獻：

[1]計時鳴，黃希歡. 工業機器人技術的發展與應用綜述[J].機電工程.2015.

[2]吳得祖. 基于六維力傳感器的機器人曲面跟蹤力控制與實驗研究[D]. 燕山大學.2013：1-10.

[3]李正義.機器人與環境間力/位置控制技術研究與應用[D].華中科技大學.2011：1-20.

[4]QC/T 740-2005.乘用車座椅總成：4.2.12模擬人體進出座椅試驗.

[5]Gary W.Johnson，Richard Jennings.LabVIEW圖形編程[M].北京大學出版社.2002.