基于三維力傳感器的工業機器人力控應用＊

彭 浩，李 昕，周 立，李萍萍

（華中科技大學工程實踐創新中心，湖北 武漢 430074）

隨著“中國制造2025”的深入推進，工業自動化、信息化、智能化已經發展到前所未有的高度，工業生產效率、生產成本得到了極大改善。工業機器人技術得到了迅速發展和應用，主要應用于汽車及其零部件制造、機械加工、電子、物流、食品醫藥等生產制造領域。工程實踐認知教學緊貼工業社會發展實際，將工業機器人技術應用融入實踐教學課堂，為培養符合工業社會發展趨勢的卓越工程技術應用人才提供支撐。

華中科技大學工程實踐創新中心依托智能制造平臺建設，引入學校科研成果市場化產品華數機器人應用于實踐教學，硬件設施主要包括40 套理實一體化工作站、10 套HSR-JR605 工業機器人綜合應用平臺、8套HSR-JR612 工業機器人裝調平臺以及工業機器人核心零部件和4 臺典型工業機器人認知平臺。主要開設了工業機器人基礎應用訓練、工業機器人綜合應用訓練、工業機器人視覺應用訓練和工業機器人機械裝調訓練等實踐課程單元。承擔了全校工科專業及部分文、理、醫相關專業本科生的“工程訓練”課程實訓任務。其中實訓過程的主要特點和突出矛盾是高頻率、零基礎操作對設備性能和安全的要求。具體講就是學生頻繁的誤操作導致設備撞機對機器人本體和末端夾具的損壞，為此將夾具與六軸法蘭連接處加裝帶力控功能傳感器就能很好解決此類問題。力控原理及控制流程如圖1所示。

圖1 力控原理及控制流程

1 力控傳感器的原理及選型

力控傳感器也被稱為應變式三維力傳感器，由彈性元件、電阻應變計和惠斯通電橋電路組成。物體作用在彈性元件上使其變形而產生應變量，粘貼在彈性元件上的電阻應變計將與物體質量成正比的應變量轉化為電阻變化，再通過惠斯通電橋電路將電阻變化轉化為電壓輸出，利用顯示儀表測得此電壓輸出值即可完成測量計量任務[1]。三維力傳感器可以同時檢測X、Y、Z方向上力值的變化情況，同時輸出3 組電壓信號，三維力傳感器如圖2所示。此次研究測試選擇的是HSR-JR605 型六關節工業機器人，末端負載5 kg。測試主要采用手動、自動、外部3 種模式，對安裝于六軸法蘭與機器人快換夾具之間的力傳感器進行嘗試性遞增動態碰撞。因機器人運動涉及速度、加速度、本體自重、夾具質量、運動姿態等眾多因素[2]，導致碰撞產生的力變化區間較大，通過估算選擇了一個FX、FY、FZ量程分別為200 N 的力控傳感器，防止過載對傳感器的損壞。3KD60-200 型傳感器主要技術指標參數如表1所示。

表1 KD60-200 性能參數

圖2 三維力傳感器

2 三通道放大器與模擬量采集卡

本次選用的HSGA3 三通道應變式放大器（如表2和圖3所示），特別適用于放大處理應變式傳感器信號的數據，每個通道獨立可調，接收三維力傳感器輸出的mV 信號，經過放大后輸出+/﹣10 V（零點為0 V）模擬量應變電壓。模擬量采集卡選用的是與華數機器人HIO-1100 單元匹配的HIO-1173 采集卡（如圖4所示）。HIO-1173 模塊負責完成經放大器放大后的電壓輸入到工業機器人控制系統的A/D 信號輸入，模擬量輸入通道的輸入電壓范圍為﹣10～0 V/0～+10 V。每個A/D-D/A 模塊提供4 通道16 位差分/單端模擬信號輸入和4 通道16 位差分/單端模擬信號輸出。本模塊為HIO-1100 單元的功能子模塊，需配合HIO-1100 單元的底板和通訊板使用。

表2 三通道放大器技術指標參數

圖3 三通道放大器

圖4 HIO-1173 采集卡

3 工業機器人X、Y、Z 方向拉、壓碰撞保護流程

HSR-JR605 華數機器人打開使能開關（上電）后，分別在手動、自動、外部3 種模式下運動，底層程序循環檢測工業機器人的運動狀態，一旦發生不同程度的碰撞，三維力傳感器將力轉換為電壓經放大后，底層程序自動判斷并做出二級故障或一級故障的響應中斷使能，故障級別如表3所示。二級故障由程序判定為輕微碰撞，由學生自行操作打開工業機器人使能開關解除故障，一級故障由程序判定為嚴重碰撞，需要教師關閉PLC 通信底層程序的運行來解除故障，控制保護流程如圖5所示。

表3 故障級別

圖5 控制保護流程圖

針對不同種類工業機器人、力控傳感器、應變式放大器硬件性能，使用過程中需對工業機器人運動速度加以限定。底層控制程序如下：

IF IR[96] =0 THEN '首次誤操作造成撞擊電壓在（1，3］or［-3，-1）

IF A_IN[1] > -3 AND A_IN[1] < -1 OR A_IN[1] < 3 AND A_IN[1] > 1 AND OMANUAL_MODE = ON THEN ' 通道X 模擬量觸發 手動模式斷使能

IR[97]=1

END IF

IF A_IN[2] > -3 AND A_IN[2] < -1 OR A_IN[2] < 3 AND A_IN[2] > 1 AND OMANUAL_MODE = ON THEN ' 通道Y 模擬量觸發 手動模式斷使能IR[97]=2

END IF

IF A_IN[3] > -3 AND A_IN[3] < -1 OR A_IN[3] < 3 AND A_IN[3] > 1 AND OMANUAL_MODE = ON THEN ' 通道Z 模擬量觸發 手動模式斷使能

IR[97]=3

END IF

IF A_IN[1] > -3 AND A_IN[1] < -1 OR A_IN[1] < 3 AND A_IN[1] > 1 AND OAUTO_MODE = ON THEN' 通道X 模擬量觸發 自動模式斷使能

IR[97]=1

END IF

IF A_IN[2] > -3 AND A_IN[2] < -1 OR A_IN[2] < 3 AND A_IN[2] > 1 AND OAUTO_MODE = ON THEN' 通道Y 模擬量觸發 自動模式斷使能

IR[97]=2

END IF

IF A_IN[3] > -3 AND A_IN[3] < -1 OR A_IN[3] < 3 AND A_IN[3] > 1 AND OAUTO_MODE = ON THEN' 通道Z 模擬量觸發 自動模式斷使能

IR[97]=3

END IF

IF A_IN[1] > -3 AND A_IN[1] < -1 OR A_IN[1] < 3 AND A_IN[1] > 1 AND OEXT_MODE = ON THEN' 通道X 模擬量觸發 外部模式斷使能

IR[97]=1

END IF

IF A_IN[2] > -3 AND A_IN[2] < -1 OR A_IN[2] < 3 AND A_IN[2] > 1 AND OEXT_MODE = ON THEN' 通道Y 模擬量觸發 外部模式斷使能

IR[97]=2

END IF

IF A_IN[3] > -3 AND A_IN[3] < -1 OR A_IN[3] < 3 AND A_IN[3] > 1 AND OEXT_MODE = ON THEN' 通道Z 模擬量觸發 外部模式斷使能

IR[97]=3

END IF

END IF

IF IR[97]<4 AND IR[97]>0 THEN '模擬量觸發斷使能

ROBOT.EN=0

IR[97]=0

IR[96]=1

END IF

IF ROBOT.EN=ON '恢復使能移動再次誤操作造成撞擊電壓V＞3 or V＜-3

IF A_IN[1] < -3 OR A_IN[1] > 3 AND OMANUAL_MODE=ON THEN ' 通道X 模擬量觸發 手動模式斷使能

IR[97]=1

END IF

IF A_IN[2] < -3 OR A_IN[2] > 3 AND OMANUAL_MODE=ON THEN ' 通道Y 模擬量觸發 手動模式斷使能

（1）樁體參數：當為單重管樁時，其樁徑為600mm；當為雙重管樁時，其樁徑為800mm；對于樁長，以到達透水層下3m作為基準控制。

IR[97]=2

END IF

IF A_IN[3] < -3 OR A_IN[3] > 3 AND OMANUAL_MODE=ON THEN ' 通道Z 模擬量觸發 手動模式斷使能

IR[97]=3

END IF

IF A_IN[1] <-3 OR A_IN[1] > 3 AND OAUTO_MODE=ON THEN ' 通道X 模擬量觸發 自動模式斷使能

IR[97]=1

END IF

IF A_IN[2] <-3 OR A_IN[2] > 3 AND OAUTO_MODE=ON THEN ' 通道Y 模擬量觸發 自動模式斷使能

IR[97]=2

END IF

IF A_IN[3]<-3 OR A_IN[3]>3 AND OAUTO_MODE=ON THEN ' 通道Z 模擬量觸發 自動模式斷使能

IR[97]=3

END IF

IF A_IN[1]<-3 OR A_IN[1]>3 AND OEXT_MODE=ON THEN ' 通道X 模擬量觸發 外部模式斷使能

IR[97]=1

END IF

IF A_IN[2]<-3 OR A_IN[2]>3 AND OEXT_MODE=ON THEN ' 通道Y 模擬量觸發 外部模式使能

IR[97]=2

END IF

IF A_IN[3]<-3 OR A_IN[3]>3 AND OEXT_MODE=ON THEN ' 通道Z 模擬量觸發 外部模式斷使能

IR[97]=3

END IF

END IF

IF IR[97]<4 AND IR[97]>0 THEN '模擬量觸發斷使能

ROBOT.EN=0

SLEEP 500

IR[97]=0

IR[96]=1

END IF

IF A_IN[1]>-1 AND A_IN[1]<1 THEN ' 通道X

模擬量觸發恢復

IR[96]=0

END IF

IF A_IN[2]>-1 AND A_IN[2]<1 THEN ' 通道Y

模擬量觸發恢復

IR[96]=0

END IF

IF A_IN[3]>-1 AND A_IN[3]<1 THEN ' 通道Z

模擬量觸發恢復

IR[96]=0

END IF

4 結語

基于現有實踐教學實訓平臺，力控傳感器很好地解決了學生實踐過程中因操作失誤和程序錯誤導致的碰撞問題。在工業機器人上的應用不局限于簡單的碰撞識別，可擴展至產品裝配、力控打磨等多種復雜的應用環境，后期可根據使用情況拓展教學內容，提升設備使用率。安裝傳感器效果如圖6所示。

圖6 傳感器安裝圖