基于力/力矩傳感器的直接示教系統(tǒng)研究

劉 昆 ，陳慶盈 ，李世中

（1.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，寧波 315201；2.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030000；3.浙江省機器人與智能制造裝備技術(shù)重點實驗室，寧波 315201）

目前，大多數(shù)的工業(yè)機器人只能通過示教板或者離線編程來使其實現(xiàn)特定的軌跡運動。其中，示教板示教需要操作者具有一定的操作經(jīng)驗并且要特別熟悉機器人操作系統(tǒng)，示教效率很低。而離線編程示教需要操作者熟悉機器人開發(fā)商所提供的編程軟件，除此之外，由于機器人存在組裝誤差、自重變形與工件擺放誤差等因素，無法完成高定位精度的要求，使得生產(chǎn)率無法提高。由此引發(fā)了研究學(xué)者對于機器人的人機互動興趣，產(chǎn)生了一種新的示教形式，能夠使人和機器人在同一空間內(nèi)進行人機互動，降低對操作者的要求，并且使機器人快速準確地到達指定位置，即直接示教技術(shù)[1-7]。

直接示教即操作者直接與機器人接觸，通過牽引機器人末端來實現(xiàn)機器人運動，過程中可以記錄機器人運動軌跡然后實現(xiàn)重復(fù)運動。因此，毫無經(jīng)驗的操作者也可以操作機器人來達到期望的目標，實現(xiàn)某一運動軌跡，這樣便提高了機器人示教編程效率。

目前，國外的研究者已經(jīng)開發(fā)了不同的直接示教裝置，其中有些已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)。文獻[8]研發(fā)了以電阻模型控制表面接觸力的直接示教模型用于拋光機器人。文獻[9]研制直接示教裝置夾于機器手末端，通過2個六維傳感器來控制機器人運動，調(diào)整機器人的位姿，完成去毛刺工作中的示教任務(wù)。文獻[10]介紹了2種應(yīng)用于硬表面接觸的示教裝置，一種是應(yīng)用于感應(yīng)淬火的示教裝置，通過滑動機構(gòu)和位置傳感器，在PC機中處理之后，使工具軸線方向的位移得到補償。在工具末端通過控制移動開關(guān)來保證示教的安全性，由內(nèi)插值法保證等速淬火。而另一種則是應(yīng)用于幕墻玻璃的裝配。而國內(nèi)的機器人技術(shù)起步較晚，直接示教的研究也落后于其他國家，并沒有直接示教機器人用于實際生產(chǎn)應(yīng)用中。

上述提到的國外研發(fā)者雖然將直接示教都應(yīng)用于了實際生產(chǎn)中，但是只是適用于他們自己的機器人系統(tǒng)，對于目前大多數(shù)機器人并不適用。鑒于此，本文提出一種直接示教系統(tǒng)的研究，可應(yīng)用于傳統(tǒng)的工業(yè)機器人來實現(xiàn)直接示教。機器人的操作系統(tǒng)一般不對外開放，在其操作系統(tǒng)是封閉的前提下，提出通過借助力/力矩傳感器作為媒介實現(xiàn)力與速度（位置）的轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)直接示教。

1 系統(tǒng)硬件部分

系統(tǒng)的硬件主要由以下7部分構(gòu)成：

1）示教手柄：操作者用來示教機器人的把手，連接于力/力矩傳感器之上，將操作者的示教力/力矩傳輸?shù)絺鞲衅鳎瑫r用來觸發(fā)記錄示教點以及playback信號。

2）Modbus拓展模塊：用來拓展機械臂I/O口，是實現(xiàn)示教手柄與機械臂控制器的通訊橋梁，用戶通過示教手柄發(fā)出的記錄位置點以及playback命令通過該模塊傳輸給控制器。

3）傳感器：感知部分，用來感知操作者施加于示教手柄的示教力/力矩，并將其轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，傳輸給數(shù)據(jù)采集卡。

4）數(shù)據(jù)采集卡：信號采集部分，主要用于采集力/力矩傳感器感知的力/力矩模擬電壓信號并將其傳輸給PC。

5）上位機（PC）：接收來自于采集卡以及機器人控制器的數(shù)據(jù)并進行處理與儲存。

6）UR控制器：機械臂的控制系統(tǒng)主要集成部分，接收來自上位機的用戶命令（或者是用戶通過示教板直接給出的命令），轉(zhuǎn)化成機械臂關(guān)節(jié)力矩電機的控制信號，從而控制機械臂到達用戶指定軌跡點。

7）工業(yè)機器人：執(zhí)行部分，接收來自于控制器的命令，完成一系列的示教動作。

系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 基于力/力矩傳感器的示教系統(tǒng)的硬件構(gòu)成Fig.1 Direct teaching system based on F/T sensor hardware configuration

1.1 示教手柄

示教手柄是施教者進行示教的牽引裝置。同時在手柄上有記錄示教點的按鈕，當示教者在示教時需要記錄某一個示教點，只要觸發(fā)示教點記錄按鈕即可。而另外一個按鈕是示教者在完成示教，需要機器人重復(fù)剛才的示教軌跡點時，則需要按playback按鈕。2個按鈕都是與數(shù)字輸入模塊相連接用來給UR10機器人傳遞輸入信號，以此作為實現(xiàn)示教點記錄以及playback功能實現(xiàn)的觸發(fā)信號。

1.2 Modbus拓展模塊

Modbus拓展模塊使用的是Beckoff公司的產(chǎn)品，主要包括2部分：

（1）BK9050總線耦合器，用來拓展總線端子模塊以實現(xiàn)外部輸入以及與UR10控制器通過以太網(wǎng)連接實現(xiàn)Modbus通訊。

（2）KL1408數(shù)字量輸入模塊，拓展輸入接口。通過外部輸入接口與示教手柄的按鈕連接用來實現(xiàn)記錄示教路徑點以及playback功能的觸發(fā)信號。

1.3 傳感器

采用ATI公司的六軸力/力矩傳感器，型號為Delta SI-330-30，采用DAQ F/T系統(tǒng)采集操作者示教時x，y，z方向的力與力矩的模擬信號，傳感器的主要參數(shù)如表1所示。

表1 ATI六軸力/力矩傳感器量程與分辨率Tab.1 ATI six-axis F/T sensor range and resolution

1.4 數(shù)據(jù)采集卡

采用阿爾泰科技的USB2852數(shù)據(jù)采集卡，通訊方式采用TCP/IP通訊，采樣信道至少要6個，采用連續(xù)異步的方式分別采集 Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty，Tz6 個通道的模擬電壓，采樣頻率為31 Hz～250 kHz。

1.5 UR控制器

UR控制器是工業(yè)機器人的控制部件，主要是控制系統(tǒng)與電氣輸入輸出的集成。UR控制器連接有一個觸控示教板，可供用戶直接通過觸控板給控制器發(fā)送指令，同時也有各種電氣輸入輸出接口，可以實現(xiàn)控制器與上位機等外部設(shè)備進行通訊，支持的通訊方式為TCP/IP Socket連接，以及Modbus TCP連接。

1.6 工業(yè)機器人

采用優(yōu)傲公司UR10六關(guān)節(jié)機械臂，負載重量為10 kg，自重為28.9 kg，工作半徑為1300 mm。

2 系統(tǒng)軟件部分

2.1 通訊

通訊示意圖如圖2所示，該系統(tǒng)的通訊方式主要有2種，以太網(wǎng)通訊以及Modbus通訊。以太網(wǎng)通訊提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，能夠加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。Modbus通訊拓展了UR10機器人的I/O端口。

圖2 通訊連接示意Fig.2 Communication connection diagram

上位機與下位機之間是通過Socket TCP進行數(shù)據(jù)傳輸，通信時PC作為服務(wù)器，而UR10控制器作為客戶端。數(shù)據(jù)采集卡與PC之間的數(shù)據(jù)傳輸也是通過以太網(wǎng)進行，以太網(wǎng)通訊能夠使采集卡采集的傳感器信息迅速傳到PC端進行處理進而反饋給機器人，減小延遲時間，使示教更加順暢。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 源碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模擬電壓

數(shù)據(jù)采集卡AD端口首先采集到的是源碼數(shù)據(jù)，所以首先要將其轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號。

式（1）是源碼與模擬電壓轉(zhuǎn)換式，電壓范圍為5000 mV，數(shù)據(jù)采集卡的精度為16位，其中ADBuffer［n］為數(shù)據(jù)采集卡AD端口的源碼值，n的值代表0～5 6個采集通道。

2.2.2 模擬電壓轉(zhuǎn)換力/力矩

直接用模擬電壓當作標志位判斷力矩會受溫度等因素影響使數(shù)據(jù)波動較大，誤差會加大。因此將模擬電壓轉(zhuǎn)化成力/力矩同時加上溫度補償作為判斷標志位則大大減小了誤差，降低溫度等干擾因素影響。

式（2）為基于溫度補償?shù)哪M電壓轉(zhuǎn)力/力矩公式，其中 R 為 1×6 力/力矩輸出，即（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty，Tz）。式（3）、式（4）為測量的溫度補償電壓 VC與初始校正溫度補償電壓VC0：

式中：BS為偏置斜率向量；GS為增益斜率向量；是 傳感器 溫 度 補 償 校 正 值 ，BS=（7.71569×10-31.88744×10-2-6.46388×10-39.615131×10-32.33153×10-21.82687×10-2）；GS=（1.04166×10-34.46070×10-34.96998×10-4-2.46547×10-32.2237×10-33.98426×10-3）；V0為傳感器補償估計值，V0=（-0.2102 0.0189-0.2076 0.0058-0.2098-0.0133）；VT0為溫度補償估計值，為-2.8748 V；V為當前估計值，V=（-0.3464 0.3158-0.3019-0.0697-0.3522 0.0817）；VT為當前溫度估計值，為-2.968 V；C為ATI公司提供的傳感器6×6校準矩陣，是一個常量矩陣，根據(jù)不同傳感器校準矩陣也不同，與傳感器型號有關(guān)；CT為C的轉(zhuǎn)置矩陣。

2.2.3 傳感器的重力補償

當將傳感器安裝到機械臂末端時，由于傳感器的自重會在z軸方向產(chǎn)生一個力，所以會影響示教力的判斷，因此需要進行重力補償，補償?shù)闹亓χ禐?3 N，即 z-3 N。

2.2.4 Socket通訊字符串轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)據(jù)

UR機器人向PC發(fā)送的TCP點坐標只能是以字符串形式發(fā)送，而接收時只能識別數(shù)值型數(shù)據(jù)，如圖3所示。所以PC接收的數(shù)據(jù)首先要轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)據(jù)，存儲到一個緩沖數(shù)組中，便于之后發(fā)送給UR 機器人。 而坐標為 p（x，y，z，Rx，Ry，Rz）形式，所以要將 x，y，z，Rx，Ry，Rz從中提取出來并存儲到一個浮點數(shù)組中。

如下代碼使用sscanf函數(shù)，運用正則表達式將recvbuf中接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)據(jù)存儲到databuf中。

sscanf（recvbuf，“%*[^09]%f%*[，]%f%*[，]%f%*[，]%f%*[，]%f%*[，]%f”，&databuf[6*i]，&databuf[6*i+1]，&databuf[6*i+2]，&databuf[6*i+3，&databuf[6*i+4]，&databuf[6*i+5]）。

2.3 程序編寫

整個示教系統(tǒng)的運行理論首先是六軸力/力矩傳感器用來感知示教者的示教力/力矩，并且將其轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號，并用數(shù)據(jù)采集卡來采集這些模擬電壓信號，將其上傳到PC。由于模擬電壓信號受溫度等干擾因素影響波動大，所以在PC端將模擬電壓信號轉(zhuǎn)變成力/力矩，并進行溫度補償。在機械臂末端加作用力，就會有相應(yīng)的位移，但是機械臂處于靜止狀態(tài)時各個關(guān)節(jié)都是鎖住狀態(tài)，要使機械臂產(chǎn)生位移需要很大的推動力，這樣直接示教也就沒有意義了。本文提出的系統(tǒng)，不需要進行復(fù)雜的動力學(xué)換算，而是以轉(zhuǎn)換的力/力矩信號作為標志位判斷操作者在哪個方向施加了力/力矩，然后通過客戶端不斷地循環(huán)給該方向加單位速度（m/s），從而轉(zhuǎn)化成了該方向的位移，實現(xiàn)直接示教。根據(jù)以上系統(tǒng)運行理論，直接示教系統(tǒng)的程序主要分為服務(wù)器 （PC）端程序和客戶端（UR10機器人）程序兩大部分。

2.3.1 服務(wù)器端程序編寫

服務(wù)器端主要進行力/力矩傳感器的模擬電壓信號與力/力矩信號轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理以及示教軌跡點的存儲。首先要配置數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)置采樣頻率為20000 Hz，采樣通道數(shù)為 6，分別采集 x，y，z，Rx，Ry，Rz 6個通道的數(shù)據(jù)上傳到PC。PC將接收到的數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)換成力/力矩存儲到一個浮點數(shù)據(jù)組當中，而服務(wù)器與客戶端之間是通過Socket TCP進行通信的，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)之前首先是建立兩者之間的連接。同時，服務(wù)器還要接收來自客戶端傳來的示教軌跡點并且存儲到一個浮點數(shù)組中。當playback信號發(fā)出后，服務(wù)器會重新將這些數(shù)據(jù)6個為1組發(fā)送給客戶端，實現(xiàn)playback。服務(wù)器端程序是在VC6.0環(huán)境中編寫完成，服務(wù)器端程序運行流程如圖4所示。

2.3.2 客戶端程序編寫

圖4 服務(wù)器端程序運行流程Fig.4 Running flow chart of server program

客戶端程序包含了示教手柄功能實現(xiàn)程序以及直接示教執(zhí)行程序。示教實現(xiàn)流程主要是先判斷從服務(wù)器發(fā)送來的標志數(shù)據(jù)，即 x，y，z，Rx，Ry，Rz 6個方向的數(shù)據(jù)。首先是最基本的x，y，z方向，當x位的數(shù)據(jù)大于4時，循環(huán)給x方向加單位速度，但是這樣會出現(xiàn)一個問題，機械臂會出現(xiàn)運動卡頓的情況。所以經(jīng)過多次實驗將單位速度設(shè)為0.012 m/s，對應(yīng)的力為4 N，機器人運動會更加流暢。當力增大時，需要加快速度，體現(xiàn)出示教力增大，機械臂移動速度加快。式（5）即為x方向的步長增量公式：

以此類推，設(shè)置完y和z方向。然后當力施加于x，y，z夾角方向時，就需要兩兩進行判斷，同時2個方向上進行位移處理。而在進行力/力矩判斷的同時，通過Modbus模塊拓展了2個輸入，1個輸入作為示教標志位，1個輸入作為playback標志位。當標志位1處于高電平時，接收來自PC的示教軌跡點，完成playback。而標志位2處于低電平時，完成直接示教。程序編寫主要是根據(jù)URScript的語法以及函數(shù)在UR10示教板編寫完成，程序流程如圖5所示。

圖5 示教手柄功能實現(xiàn)程序流程Fig.5 Flow chart of teach handle

客戶端程序是按照2個線程進行的，一個線程用來實現(xiàn)直接示教的運動軌跡點執(zhí)行，一個線程用來記錄示教點，將軌跡點發(fā)送到PC儲存。

當操作者對機器人示教完之后，需要機器人重復(fù)執(zhí)行剛才的示教軌跡，這就是直接示教的重復(fù)執(zhí)行過程。服務(wù)器會將每個記錄位點的坐標重新發(fā)送給客戶端，然后客戶端會依次執(zhí)行movej指令，從而實現(xiàn)直接示教的重復(fù)執(zhí)行。

圖6 URScript movej指令Fig.6 URScript movej order

如圖7所示為以一個正方形工件輪廓作為示教軌跡進行示教，選取特征點進行記錄，圖8為對示教軌跡的playback過程。

圖7 沿工件輪廓進行直接示教Fig.7 Direct teaching along the contour of the workpiece

圖8 示教軌跡的playbackFig.8 Playback process of the teaching trajectory

3 結(jié)語

本文介紹的直接示教系統(tǒng)，借助于一個六軸力/力矩傳感器作為媒介，能夠在傳統(tǒng)的非直接示教機械臂上實現(xiàn)直接示教，通過上位機的數(shù)據(jù)處理將傳感器的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為力/力矩信號作為示教力/力矩的判斷標志，客戶端通過標志位的變化來實現(xiàn)機器人的移動，進而實現(xiàn)直接示教。然而，由于傳感器感知的信號沒有進行處理，所以信號存在較大的干擾，加上人的示教力波動較大，所以在示教過程中會存在一定的位置偏移，同時，在進行x，y，z夾角方向判斷時不夠精確，示教精度沒有那么高，該系統(tǒng)沒有設(shè)計到機器人系統(tǒng)，是在外環(huán)的間接變量轉(zhuǎn)換，會稍微有一點延遲，所以本系統(tǒng)有待進一步的優(yōu)化，使示教更加流暢，精度更高。

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