力矩傳感器在工業機器人集成控制中的應用

張忠雨

(重慶科創職業學院，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前發展的必然趨勢，機器人完成的任務基本都是一個可重復的過程。為了將機器人融入到越來越多的生產過程中，一般在機器人應用中配備了額外的傳感器。在本項目中，工業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，通過調整控制軟件后，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前位置保存下來，通過這種方式快速的創建運動軌跡。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行傳感器引導的運動，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 硬件設備選擇

在這個應用中，使用KUKA GmbH帶有KRC2控件的KR16-2型工業機器人，力矩傳感器選用的是Schunk公司的“SI-130-10”型號。傳感器系統的另一個組件是ATI工業自動化公司的網盒，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，以提高機器人應用的質量和加工過程的安全性。

1.2 安裝與配置

1.2.1 網絡設置

在KRC C2上，嵌入式Windows XP和實時操作系統VxWorks兩個操作系統并行運行，后者用于機器人和控制器之間的通信。該控制器的以太網端口分配給VxWorks，用于網盒與控制器之間的實時數據傳輸。由于機器人控制的實時性要求，通過實時以太網總線EtherNet / IP進行通信。網絡設置如下圖1所示。

圖1 網絡設置

1.2.2 Force Torque Control的應用

Force Torque Control可以使工業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，機器人通常在編程設定的軌跡上運動，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，所產生的加工作用力會對一項應用(例如裝配、拋光、磨削、折彎時)的質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方法。將測量的力與目標值進行比較，控制電路對結果進行處理、評估，并與編程路徑進行比較，根據這些結果，機器人將通過控制裝置進行移動，從而實現所需的力和力矩目標值。

圖2 力-力矩控制實現方法

2 項目應用過程

2.1 手持機器人運動示教

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

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，設計了用于法蘭連接的手動導向適配器如圖3所示，這樣可以在傳感器上為手動引導裝置安裝電纜和連接器，便于用手動工具直接引導機器人，必須對適配器進行修改，以便可以將手引導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

由于手動導向裝置的方向在引導過程中會發生變化，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，FTCtrl提供了函數rsiftload determination()。當被調用時，機器人被移動到不同的位置并測量力。利用這些數據計算并顯示質心坐標。利用坐標和已知的安裝重量，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

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

2.1.4 程序擴展

為了實現該應用，需要對人工引導程序進行擴展。為了保存手動引導運動時的位置，需要一個中斷程序，按下手動引導裝置上的按鈕可觸發中斷。調用的函數將機器人的實際位置保存在一個全局數組中。當所有位置接近并保存后，可以停止手動引導運動，并將保存的位置用于另一個程序來創建運動序列。

2.2 傳感器引導運動

為了演示傳感器引導的運動，機器人將設定的力Fz應用到數字刻度上。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，調整器響應的影響可以通過參數的變化來證明。

2.2.1 法蘭適配器

與手動引導一樣，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的任意值。為了演示，Fz的終止條件將設置為值+/-0.005N，這相當于大約0.5 g。控制器設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，如果系統剛度設置為非常軟，速度設置為中等，上升時間設置為0.3 s，目標力設置為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 結語

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