力矩傳感器在工業(yè)機器人集成控制中的應(yīng)用

張忠雨

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院，重慶 402160)

0 引言

通過機器人可以快速高效地完成工作已成為當(dāng)前發(fā)展的必然趨勢，機器人完成的任務(wù)基本都是一個可重復(fù)的過程。為了將機器人融入到越來越多的生產(chǎn)過程中，一般在機器人應(yīng)用中配備了額外的傳感器。在本項目中，工業(yè)機器人配備了一個力矩傳感器和控制裝置，通過安裝在機器人上的傳感器進行手動引導(dǎo)，通過調(diào)整控制軟件后，機器人可以通過手動方式移動到所需位置，并通過控制器上配置的按鈕將機器人當(dāng)前位置保存下來，通過這種方式快速的創(chuàng)建運動軌跡。本項目除了這些功能外，機器人控制裝置已配置成可以通過執(zhí)行傳感器引導(dǎo)的運動，機器人控制裝置能夠通過力矩傳感器檢測工具與工件之間的力，并在運動過程中保持恒定。

1 項目實施過程

1.1 硬件設(shè)備選擇

在這個應(yīng)用中，使用KUKA GmbH帶有KRC2控件的KR16-2型工業(yè)機器人，力矩傳感器選用的是Schunk公司的“SI-130-10”型號。傳感器系統(tǒng)的另一個組件是ATI工業(yè)自動化公司的網(wǎng)盒，把它作為傳感器和機器人控制之間的接口。為了擴展機器人控制器，傳感器系統(tǒng)通過KUKA力控軟件包對加工過程中的力和力矩施加影響，以提高機器人應(yīng)用的質(zhì)量和加工過程的安全性。

1.2 安裝與配置

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

在KRC C2上，嵌入式Windows XP和實時操作系統(tǒng)VxWorks兩個操作系統(tǒng)并行運行，后者用于機器人和控制器之間的通信。該控制器的以太網(wǎng)端口分配給VxWorks，用于網(wǎng)盒與控制器之間的實時數(shù)據(jù)傳輸。由于機器人控制的實時性要求，通過實時以太網(wǎng)總線EtherNet / IP進行通信。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置如下圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

1.2.2 Force Torque Control的應(yīng)用

Force Torque Control可以使工業(yè)機器人對作用在機器人工具上的力和力矩作出靈敏的反應(yīng)，機器人通常在編程設(shè)定的軌跡上運動，而不會考慮作用在工具或工件上的力或力矩。在很多情況下，所產(chǎn)生的加工作用力會對一項應(yīng)用(例如裝配、拋光、磨削、折彎時)的質(zhì)量和流程的可靠性具有決定性的影響。通過KUKA.ForceTorque Control可以編程設(shè)定并遵守機器人運動的加工作用力和力矩。圖2展示了通過Force Torque Contro控制機器人運動的技術(shù)方法。將測量的力與目標(biāo)值進行比較，控制電路對結(jié)果進行處理、評估，并與編程路徑進行比較，根據(jù)這些結(jié)果，機器人將通過控制裝置進行移動，從而實現(xiàn)所需的力和力矩目標(biāo)值。

圖2 力-力矩控制實現(xiàn)方法

2 項目應(yīng)用過程

2.1 手持機器人運動示教

基于手持機器人的運動，已經(jīng)創(chuàng)造了直接保存到達點的機會，這樣可以很快創(chuàng)建所需的序列。

2.1.1 法蘭適配器

為了使力-扭矩傳感器能夠安裝在機器人的法蘭上，設(shè)計了用于法蘭連接的手動導(dǎo)向適配器如圖3所示，這樣可以在傳感器上為手動引導(dǎo)裝置安裝電纜和連接器，便于用手動工具直接引導(dǎo)機器人，必須對適配器進行修改，以便可以將手引導(dǎo)裝置和工具同時安裝在機器人法蘭上。

圖3 法蘭適配器

2.1.2 重力坐標(biāo)

由于手動導(dǎo)向裝置的方向在引導(dǎo)過程中會發(fā)生變化，因此有必要補償傳感器支架的自重，以確定支架的重量和重心。為此，F(xiàn)TCtrl提供了函數(shù)rsiftload determination()。當(dāng)被調(diào)用時，機器人被移動到不同的位置并測量力。利用這些數(shù)據(jù)計算并顯示質(zhì)心坐標(biāo)。利用坐標(biāo)和已知的安裝重量，機器人控制程序可以在傳感器初始化期間生成可變重量向量。

2.1.3 配置文件

復(fù)制手動向?qū)r使用的配置文件，并且更改一些參數(shù)。輸入計算出的傳感器對準(zhǔn)。在這種情況下，X=60 mm，Y=-60 mm和Z=63 mm的平移。傳感器坐標(biāo)系相對于法蘭坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)計算為A=45°，B=-45°，C=90°。其他更改只需要在控制器設(shè)置上進行。上升時間從0.25 s增加到0.4 s。這樣可以穩(wěn)定循環(huán)，并可以精確定位刀具接近的位置。

2.1.4 程序擴展

為了實現(xiàn)該應(yīng)用，需要對人工引導(dǎo)程序進行擴展。為了保存手動引導(dǎo)運動時的位置，需要一個中斷程序，按下手動引導(dǎo)裝置上的按鈕可觸發(fā)中斷。調(diào)用的函數(shù)將機器人的實際位置保存在一個全局?jǐn)?shù)組中。當(dāng)所有位置接近并保存后，可以停止手動引導(dǎo)運動，并將保存的位置用于另一個程序來創(chuàng)建運動序列。

2.2 傳感器引導(dǎo)運動

為了演示傳感器引導(dǎo)的運動，機器人將設(shè)定的力Fz應(yīng)用到數(shù)字刻度上。這表明機器人在力-扭矩傳感器的幫助下可以精確地施加所需力的過程。此外，調(diào)整器響應(yīng)的影響可以通過參數(shù)的變化來證明。

2.2.1 法蘭適配器

與手動引導(dǎo)一樣，傳感器安裝在機器人法蘭的Z方向上。在傳感器本身上安裝了一個矩形鋁塊，通過該塊向刻度施加所需的力。此外，可以使用20°倒角的斜面顯示除施加的力外的方向補償。

2.2.2 配置文件

在Z方向上輸入了75 mm的平移量，選擇激活的自由度Fz，作為參考值，可以選擇傳感器和機器人特性測量范圍內(nèi)的任意值。為了演示，F(xiàn)z的終止條件將設(shè)置為值+/-0.005N，這相當(dāng)于大約0.5 g。控制器設(shè)置可以單獨選擇來演示不同的效果。短的上升時間(<0.15 s)或較快的速度會使控制回路劇烈振蕩。例如，如果系統(tǒng)剛度設(shè)置為非常軟，速度設(shè)置為中等，上升時間設(shè)置為0.3 s，目標(biāo)力設(shè)置為Fz=29N，則刻度顯示為2960 g。因此，在非理想條件下，偏差僅為0.14%。

2.2.3 程序流程圖

基于力矩傳感器的機器人控制流程如下圖4所示。

圖4 基于力矩傳感器的機器人控制流程圖

3 結(jié)語

在此項目中，使用KUKA KR16-2型工業(yè)機器人，Schunk公司的“SI-130-10”型力矩傳感器進行集成，能夠?qū)崿F(xiàn)使操作者可以手動引導(dǎo)機器人，并通過控制裝置能夠記錄機器人當(dāng)前位置值，通過這種方式非常快速地創(chuàng)建運動軌跡，并高效實現(xiàn)期望的運動過程，解決工業(yè)機器人生產(chǎn)過程編程復(fù)雜、獲取示教點費時等問題。