仿人機器人關節驅動柔性特征自動檢測系統

楊斌

摘? 要： 以快速檢測大量仿人機器人關節驅動柔性特征為目標，設計仿人機器人關節驅動柔性特征自動檢測系統。系統檢測關節特征為關節扭矩，檢測模塊的輪輻式扭矩傳感器與扭矩轉速測量儀配合使用，測量關節扭矩大小。PLC控制器從步進電機與扭矩傳感器中獲取檢測信息，向關節驅動器與控制器傳輸檢測命令，實現關節扭矩自動檢測。實時控制單元與非實時控制單元構成系統軟件，二者以內存共享區域為中介分享檢測數據，為檢測模塊提供軟件支持。測試結果顯示，系統檢測仿人機器人關節扭矩誤差低于0.2 N·m，符合仿人機器人關節特征檢測標準。

關鍵詞： 仿人機器人; 關節驅動; 系統設計; 關節特征監測; 關節扭矩; 系統測試

中圖分類號： TN957.52+3?34; TP242? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）08?0176?03

Automatic detection system for joint?driving flexible feature of humanoid robot

YANG Bin

（Department of Industrial Automation， Guang Dong Polytechnic College， Zhaoqing 526100， China）

Abstract： The automatic detection system for joint?driving flexible features of humanoid robot is designed with taken rapid detection of a large number of joint?driving flexible features of humanoid robot as target. The joint feature detected by the system is the joint torque， and the hub?and?spoke torque sensor of the system detection module is used together with the torque rotational speed measurer to measure the size of the joint torque. The PLC controller obtains detection information from stepping motor and torque sensor， and transmits detection command to joint driver and controller， so as to realize the automatic detection of joint torque. The real?time control unit and the non?real?time control unit constitute the system software， and both which share the detection data with the memory shared area as the intermediary to provide software support for the detection module. The testing results show that the torque error of humanoid robot′s joint detected by the system is less than 0.2 N·m， which conforms to the detection standard of joint feature of humanoid robot.

Keywords： humanoid robot; joint drive; system design; joint feature detection; joint torque; system test

0? 引? 言

機器人發展水平是國家科技發展的體現與象征，是智能化領域的延伸。仿人機器人集計算機技術、傳感器技術、電子技術與控制技術于一身，兼具人類的四肢與頭部，依照人類行為與形態設計行走姿態[1]。機器人關節驅動柔性是仿人設計的突出表現，其在電機驅動下可模仿人類扭轉上下肢關節[2?3]。

仿人機器人關節驅動柔性特征較多，如扭矩特征、轉角特征、振動特征等[4]，這些特征均能體現機器人關節是否符合生產標準、能否在工作中正常運行[5]。為此，本文以提升仿人機器人關節柔性控制效果與性能為目標，設計自動檢測系統檢測仿人機器人關節扭矩特征，為保障機器人關節合格率、優化仿人機器人關節柔性提供參考依據。

1? 設計與應用

1.1? 硬件組成

仿人機器人關節驅動柔性特征自動檢測系統的硬件包括檢測對象、檢測控制端和檢測模塊三部分，如圖1所示。

1） 檢測對象為仿人機器人關節，通過關節驅動器、電源以及關節控制器展現關節驅動柔性特征。1553B總線是關節控制器與檢測控制端的連接中介，總線協議接口芯片型號為J16580R，在RT 16位緩沖模式下運行良好[6]。

2） 檢測控制端的PLC自動控制器與檢測對象驅動器控制器連接，與檢測模塊的步進電機、驅動器等元件連接，通過這種連接關系自動傳輸控制信息，確保系統自動檢測關節特征。PLC自動控制器采用帶晶體管形式輸出，該控制器的Q0.0，Q0.1，Q0.2端口可輸出3個高速脈沖信號，脈沖頻率[7]上限為100 kHz。

3） 扭矩傳感器、步進電機、正余弦編碼器以及磁粉制動器是檢測模塊的主要元件。其中只有編碼器直接連接計算機板卡，另外元件不具備該功能，編碼器結合IK220板卡采集檢測數據并有效處理[8]，扭矩傳感器與磁粉制動器以RS 232串口完成數據通信。輪輻式扭矩傳感器具有較強的抗干擾能力與靈敏度，組裝簡單[9]，多個輪輻以對稱的形式分布[10]。設置扭矩轉速測量儀配合扭矩傳感器使用，“置零”是扭矩轉速測量儀的突出功能，可有效防止外界溫濕度等因素對傳感器測量產生干擾，降低傳感器測量準確度[11]。傳感器精度在仿人機器人關節設計指標精度以上，測量區間大于關節測量變化區間[12]。

1.2? 軟件組成

在Windows XP+RTX環境中開發設計仿人機器人關節驅動柔性特征自動檢測系統，系統軟件部分設計上位機軟件實時掌握仿人機器人特征檢測情況。圖2為仿人機器人關節驅動柔性特征自動檢測系統的軟件結構。

系統軟件設計分實時控制單元與非實時控制單元，兩單元以內存共享區域為中介實現檢測相關數據交互[13]。命令模塊、變量模塊以及數據緩沖模塊是內容共享區域的主要構成，功能是將讀取用戶的開啟主線程、調整關節控制模式等命令傳遞至實時單元[14]。變量模塊具有兩個主要功能：一是向非實時單元傳遞線程運行狀態信息，如關節控制信息、線程自身狀態信息等;二是向實時線程輸出關節位置、關節目標電流等控制參數[15]。最后，仿人機器人關節驅動柔性特征自動檢測系統運行過程中產生的全部過程數據、狀態信息存儲在數據緩沖區。

2? 系統測試

選取某高校實驗室作為實驗場所，在Windows 7中運行系統軟件，在Matlab平臺中處理檢測數據。實驗硬件與軟件環境搭建完畢，選取5種型號仿人機器人作為系統測試對象，不同型號仿人機器人外觀差異較大。A，B，C，D，E為5種型號機器人編號，系統具體測試對象為機器人的上肢與下肢。同時設置仿人機器人關節扭矩特征檢測誤差在0～0.2 N·m之間為符合要求。

2.1? 系統檢測界面

檢測仿人機器人關節扭矩的界面如圖3所示。

圖中，關節扭矩檢測界面左側自動顯示關節扭矩曲線與電流曲線，以供分析機器人關節柔性驅動特征是否符合標準;界面右上端展示被測量仿人機器人的整體形象，點擊右側選項可查看詳細信息，根據需求更換檢測對象;右下端具備自動檢測、手動檢測、重新檢測功能，用戶按需求選擇檢測類型;檢測中出現意外情況或重要信息可在備注欄中記錄。

2.2? 檢測結果分析

采用本文系統檢測結果如表1所示。

對比本文系統檢測結果與關節扭矩真實設定值，得到本文系統檢測誤差如表2所示。

表2顯示本文系統檢測機器人關節扭矩誤差最大為0.15 N·m，低于0.2 N·m，符合機器人關節扭矩檢測標準，因此本文系統檢測結構可靠性較強，具有一定的實際應用價值。

2.3? 系統性能分析

選取50個機器人左上肢肘關節作為測試對象，采用自適應關節檢測系統、在線模糊調整關節檢測系統作為對比，在相同實驗環境下檢測機器人關節的扭矩，記錄檢測過程中三種系統時間開銷、靈敏度、扭矩檢測誤差三種性能指標，結果如表3所示。

表3數據顯示，本文系統檢測50個左上肢肘關節時間開銷為25 min，相比自適應關節檢測系統、在線模糊調整關節檢測系統節約187 min，223 min。由于本文系統具備自動檢測功能，形成自動檢測流程，大量節省人工安裝、拆卸關節等工作量，檢測時間開銷較小;相對而言，另外兩種對比系統不具備自動檢測功能，檢測時間開銷較大。本文系統檢測關節扭矩的靈敏度高達152.3 mV·（N·m）?1，對關節扭矩的反應較快，識別能力強。扭矩檢測誤差結果顯示，本文系統與在線模糊調整關節檢測系統符合機器人關節扭矩檢測標準，但自適應關節檢測系統檢測誤差為0.32 N·m，誤差較大。綜合對比可知，本文系統檢測性能良好，優勢突出。

3? 結? 論

仿人機器人關節驅動柔性特征較多，本文設計的仿人機器人關節驅動柔性特征自動檢測系統主要檢測關節的扭矩特征。配合使用輪輻式扭矩傳感器與扭矩轉速測量儀監測關節扭矩數據，采用PLC自動控制器實現關節自動檢測。測試結果顯示，本文系統智能化水平較高，檢測時間耗費少，適合應用于大批量機器人關節扭矩檢測中。

參考文獻

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（上接第178頁）

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