基于IIWA機器人的涂膠系統設計

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

近幾年隨著人力成本大幅提升，按照事先編好程序進行控制的第二代工業機器人越來越多地應用在工業生產領域，為了預防事故發生，保證作業安全，這種工業機器人在使用時需要設定安全防護欄，把人與機器人隔離開。但這種機器人會增加生產空間的占用，降低人機協作程度。在某些工作環境相對比較復雜的生產線，機器人不能完全替代人的工作，此時實現生產過程的人機協作就顯得尤為重要。

如今有著智能傳感器的第三代機器人的出現則有效地滿足生產線對于人機協作的需求，例如ABB打造的雙臂14軸工業機器人YuMi；KUKA生產的7軸輕型智能工業機器人iiwa；Universal Robots公司推出體積更小更靈活更安全的人機協作機器人——UR3；Rethink Robotics公司的第二代智能協作機器人Sawyer[1,2]。其中ABB YuMi機器人幫助電子工業等領域實現小件裝配的自動化應用[3]；KUKA的iiwa機器人在美國福特汽車公司內完成了汽車減震器的組裝[4]。但目前這些人機協作的工業機器人在國內僅處于設備介紹及運動學理論研究的階段[5]，還沒有實現工業生產上的應用。

本文針對人機協作機器人在國內工業生產的應用前景，設計了基于iiwa機器人的涂膠系統，并對該涂膠系統的整體設計方案、電氣設計方案及軟件設計方案進行介紹，最后進行了系統測試。

1 涂膠系統的整體設計方案

涂膠系統由機器人系統及泵膠系統兩部分組成。泵膠系統將膠料供應到機器人末端工具；機器人執行運動程序并判斷當前條件打開或關閉排膠閥從而實現涂膠動作。整體系統示意圖如圖1所示。

圖1 系統示意圖

1.1 機器人系統

機器人系統由iiwa機器人、機器人工具及工件放件臺三部分組成。

1.1.1 iiwa機器人

Iiwa機器人是KUKA公司生產的輕型智能工業機器人，可實現重復定位精度0.01mm。相比于普通的工業機器人，iiwa具有以下三個特點：

1）靈敏：iiwa具有多達7個關節，增加了關節冗余，使機器人具有更好的運動學特性；

2）安全：iiwa機器人可以實現ISO 13849中安全類別3及安全性能等級d級。每個關節配備高性能力矩傳感器，因而iiwa對力的敏感度極高，通過各關節力矩檢測使人機協作過程更加安全，擺脫安全護網對機器人工作的限制；

3）開放：基于Java平臺的開放式編程結構，容易實現更多復雜功能。

鑒于iiwa機器人靈敏、安全的特性，故在本系統中使用該機器人以實現人機協作。

1.1.2 機器人工具

機器人工具由膠嘴、排膠閥及法蘭固定件組成。其中排膠閥與膠嘴就近布置，以防止關閉排膠閥后出現膠嘴繼續排膠，影響涂膠膠型。膠嘴與排膠閥通過法蘭連接件與機器人末端固定。為了適用于人機協作場合，機器人工具整體需安裝保護罩，此處為了便于實驗暫時沒有安裝。

圖2 機器人工具

1.1.3 放件臺

工件放件臺的主要作用是識別工件類型，因此設計了工件的定位工裝并安裝了三個光電檢測開關。定位工裝，用于裝卡工件，通過對定位塊的形狀及位置設計能有效地避免工件放反。工件放好后通過查詢三個光電檢測開關的狀態可識別多種工件。為了適用于人機協作場合，將放件臺邊角倒圓、倒鈍。

1.2 泵膠系統

泵膠系統采用SCA的單桶手動涂膠泵，該膠泵最大氣源壓力6bar，可實現最大膠料壓力342bar，壓比1:57。

2 電氣設計方案

電氣部分主要包括profinet通訊搭建、機器人供電及光電開關傳感器的供電。Profinet總線從機器人控制器X66總線接口連接到IO模塊的P1口。機器人的供電直接采用220V交流電，光電開關及傳感器的供電則需要用24V直流電。24V轉換及供電電路如圖4所示。

圖3 放件臺

3 軟件設計方案

Iiwa機器人的軟件設計是在KUKA Sunrise Workbench中進行的。其中包括IO配置、安全配置及運動編程三部分[6]。

3.1 IO配置

在Sunrise Workbench中通過IOConfiguration.wvs進入workvisual配置窗口，創建Sunrise IO組——PROFINET_MURR并對所有IO點進行接線，最后將配置導入Sunrise Workbench。

圖4 24V轉換及供電電路圖

3.2 安全配置

在Sunrise Workbench中通過SafeConfiguration.sconf進入安全配置窗口。通過安全配置窗口可以設定速度監控及外部急停。

速度監控：監控機器人及工具速度不超過250mm/s，若運行中速度超過限值則機器人以stop1的方式停止運動。stop1是KUKA機器人的一種沿軌跡運動的停止方式。

外部急停：選擇CIB_SR.1輸入端，同時在機器人控制器X11接口的1和2管腳連接急停按鈕A通道，在10和11管腳連接急停按鈕的B通道，至此完成外部雙通道急停按鈕功能配置。緊急情況按下急停按鈕，iiwa機器人將以stop1的模式停止運動。

3.3 運動編程

機器人上電初始化后根據三個光電檢測開關的狀態判斷車型，根據所選車型選擇相應的涂膠軌跡。并且在運動過程中檢測各個關節的受力情況，如果受力超出所設范圍則機器人檢測到碰撞，機器人立即停止運動，等待現場工人排除障礙后輕推機器人放棄涂膠或通過按鍵選擇繼續涂膠。如果認為碰撞后影響涂膠膠型，則應停止當前涂膠，更換新件后繼續涂膠。整體程序流程如圖5所示。

3.3.1 機器人運動程序

為了實現涂膠轉角處膠型的連續均勻，用spl()運動指連接兩段lin()運動，然后將所有的運動段封裝在一個Spline運動中，這樣在整個涂膠軌跡中機器人不會發生運動停頓現象，保證膠型質量。另外為了保證機器人在規定的節拍內完成涂膠工藝，設定機器人的運動速度為100mm/s。

圖5 程序流程圖

3.3.2 碰撞檢測程序

碰撞檢測程序設定各個關節的力矩范圍并監控機器人關節力矩，只要有一個關節力矩瞬時值超限則認為發生碰撞。因此設定機器人各個軸的正常轉矩范圍值為（Mnow±15）Nm，其中Mnow為當前機器人關節轉矩。如果瞬時值超過（Mnow±15）Nm則認為機器人與外界環境發生碰撞，此時機器人將以stop1的方式停止運動。

另外國際標準化組織2016年發布的ISO/TS 15066[7]中對于身體各部位最大受力值有了明確說明，如表1所示。根據表1中的數值，人的面部是最脆弱的部位，其最大允許受力值65N，最大允許壓力110N/cm2。因此在設定機器人阻抗控制運動模型時，TCP最大受力值設為20N，超過該限值機器人以stop1的方式停止運動。

表1 人體各生理部位受力極限

3.3.3 人機協作程序

恢復碰撞后的運動則首先需要現場工人通過按鈕以確認繼續涂膠，或輕推一下機器人讓其返回初始位置。按鍵是位于放件臺一側的黑色蘑菇按鈕。輕推機器人則是利用1軸的力傳感器檢測1軸力矩的瞬時變化，如果該軸力矩有瞬時變化則認為機器人受到推動力。其中瞬時變化值設定為1Nm。

4 涂膠系統搭建與測試

在以上系統設計的基礎上，搭建了iiwa機器人涂膠系統，如圖6所示。在完成系統搭建后，進行了涂膠測試。測試共分為尺寸測試、碰撞測試及人機協作測試三部分。

4.1 膠條尺寸測試

涂膠應用對于膠型尺寸有嚴格的要求，在本系統的應用中要求膠條寬度尺寸要滿足（6±1）mm。經過測試本系統的膠型尺寸最寬處6.9mm，最窄處5.3mm，滿足設計要求。

圖6 涂膠系統實物圖

4.2 碰撞功能測試

在機器人運動過程的任意位置，測試人員用手掌阻擋機器人，實現阻止機器人當前運動。并且在機器人停止運動時，排膠閥同時立即關閉，不會出現繼續排膠及堆膠現象。

4.3 人機協作測試

在測試人員用手阻止機器人當前運動后，通過輕推機器人，機器人放棄當前涂膠循環回到涂膠初始位置等待放件。在測試人員重新上件并按下確認按鈕后機器人繼續工作。

5 結束語

本文介紹了一種基于iiwa機器人研制的涂膠系統整體設計方案。在iiwa機器人的基礎上完成了，機器工具設計、放件臺設計、電氣設計及涂膠系統軟件設計。測試實驗結果表明，該涂膠膠條尺寸滿足了生產工藝要求，實現了涂膠的工藝要求及過程中碰撞檢測及人機協作。后續的研究將繼續提高膠條尺寸的穩定性，并實現更為復雜的人機協作能力。

[1]IF ?urovsky.Recent Trends In Industrial Robotics[J].Transfer inovácií,2014,29:181-184.

[2]Mathieu Bélanger-Barrette. Collaborative Robot eBook-Updated Version[OL].http://blog.robotiq.com/collaborative-robot-ebookupdated-version.

[3]ABB.ABB YuMi雙臂機器人引領人機協作新時代[J].金屬加工(熱加工),2015(08):3.

[4]與福特汽車工廠員工打成一片的LBR iiwa[OL].http://www.auto-made.com/news/show-332.html.

[4]胡明偉.一種協作型機器人運動性能分析與仿真[J].智能系統學報,2017,12(1):1-7.

[5]Operating and Programming Instructions for System Integrators[M].Augsburg:KUKA,2015.

[6]ISO/TS 15066:2016, Robots and robotic devices-Collaborative robots[S].