基于三維力傳感器的工業(yè)機(jī)器人力控應(yīng)用＊

彭 浩，李 昕，周 立，李萍萍

（華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430074）

隨著“中國(guó)制造2025”的深入推進(jìn)，工業(yè)自動(dòng)化、信息化、智能化已經(jīng)發(fā)展到前所未有的高度，工業(yè)生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本得到了極大改善。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用，主要應(yīng)用于汽車及其零部件制造、機(jī)械加工、電子、物流、食品醫(yī)藥等生產(chǎn)制造領(lǐng)域。工程實(shí)踐認(rèn)知教學(xué)緊貼工業(yè)社會(huì)發(fā)展實(shí)際，將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用融入實(shí)踐教學(xué)課堂，為培養(yǎng)符合工業(yè)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)的卓越工程技術(shù)應(yīng)用人才提供支撐。

華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心依托智能制造平臺(tái)建設(shè)，引入學(xué)校科研成果市場(chǎng)化產(chǎn)品華數(shù)機(jī)器人應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，硬件設(shè)施主要包括40 套理實(shí)一體化工作站、10 套HSR-JR605 工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用平臺(tái)、8套HSR-JR612 工業(yè)機(jī)器人裝調(diào)平臺(tái)以及工業(yè)機(jī)器人核心零部件和4 臺(tái)典型工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知平臺(tái)。主要開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)應(yīng)用訓(xùn)練、工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用訓(xùn)練、工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)應(yīng)用訓(xùn)練和工業(yè)機(jī)器人機(jī)械裝調(diào)訓(xùn)練等實(shí)踐課程單元。承擔(dān)了全校工科專業(yè)及部分文、理、醫(yī)相關(guān)專業(yè)本科生的“工程訓(xùn)練”課程實(shí)訓(xùn)任務(wù)。其中實(shí)訓(xùn)過(guò)程的主要特點(diǎn)和突出矛盾是高頻率、零基礎(chǔ)操作對(duì)設(shè)備性能和安全的要求。具體講就是學(xué)生頻繁的誤操作導(dǎo)致設(shè)備撞機(jī)對(duì)機(jī)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(wèn)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(yīng)變式三維力傳感器，由彈性元件、電阻應(yīng)變計(jì)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(chǎn)生應(yīng)變量，粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變計(jì)將與物體質(zhì)量成正比的應(yīng)變量轉(zhuǎn)化為電阻變化，再通過(guò)惠斯通電橋電路將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出，利用顯示儀表測(cè)得此電壓輸出值即可完成測(cè)量計(jì)量任務(wù)[1]。三維力傳感器可以同時(shí)檢測(cè)X、Y、Z方向上力值的變化情況，同時(shí)輸出3 組電壓信號(hào)，三維力傳感器如圖2所示。此次研究測(cè)試選擇的是HSR-JR605 型六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，末端負(fù)載5 kg。測(cè)試主要采用手動(dòng)、自動(dòng)、外部3 種模式，對(duì)安裝于六軸法蘭與機(jī)器人快換夾具之間的力傳感器進(jìn)行嘗試性遞增動(dòng)態(tài)碰撞。因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)涉及速度、加速度、本體自重、夾具質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等眾多因素[2]，導(dǎo)致碰撞產(chǎn)生的力變化區(qū)間較大，通過(guò)估算選擇了一個(gè)FX、FY、FZ量程分別為200 N 的力控傳感器，防止過(guò)載對(duì)傳感器的損壞。3KD60-200 型傳感器主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 KD60-200 性能參數(shù)

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(yīng)變式放大器（如表2和圖3所示），特別適用于放大處理應(yīng)變式傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)，每個(gè)通道獨(dú)立可調(diào)，接收三維力傳感器輸出的mV 信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大后輸出+/﹣10 V（零點(diǎn)為0 V）模擬量應(yīng)變電壓。模擬量采集卡選用的是與華數(shù)機(jī)器人HIO-1100 單元匹配的HIO-1173 采集卡（如圖4所示）。HIO-1173 模塊負(fù)責(zé)完成經(jīng)放大器放大后的電壓輸入到工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的A/D 信號(hào)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(gè)A/D-D/A 模塊提供4 通道16 位差分/單端模擬信號(hào)輸入和4 通道16 位差分/單端模擬信號(hào)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(shù)指標(biāo)參數(shù)

圖3 三通道放大器

圖4 HIO-1173 采集卡

3 工業(yè)機(jī)器人X、Y、Z 方向拉、壓碰撞保護(hù)流程

HSR-JR605 華數(shù)機(jī)器人打開(kāi)使能開(kāi)關(guān)（上電）后，分別在手動(dòng)、自動(dòng)、外部3 種模式下運(yùn)動(dòng)，底層程序循環(huán)檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一旦發(fā)生不同程度的碰撞，三維力傳感器將力轉(zhuǎn)換為電壓經(jīng)放大后，底層程序自動(dòng)判斷并做出二級(jí)故障或一級(jí)故障的響應(yīng)中斷使能，故障級(jí)別如表3所示。二級(jí)故障由程序判定為輕微碰撞，由學(xué)生自行操作打開(kāi)工業(yè)機(jī)器人使能開(kāi)關(guān)解除故障，一級(jí)故障由程序判定為嚴(yán)重碰撞，需要教師關(guān)閉PLC 通信底層程序的運(yùn)行來(lái)解除故障，控制保護(hù)流程如圖5所示。

表3 故障級(jí)別

圖5 控制保護(hù)流程圖

針對(duì)不同種類工業(yè)機(jī)器人、力控傳感器、應(yīng)變式放大器硬件性能，使用過(guò)程中需對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(fā) 手動(dòng)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(fā) 手動(dòng)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(fā) 手動(dòng)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(fā) 自動(dòng)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(fā) 自動(dòng)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(fā) 自動(dòng)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(fā) 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(fā) 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(fā) 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(fā)斷使能

ROBOT.EN=0

IR[97]=0

IR[96]=1

END IF

IF ROBOT.EN=ON '恢復(fù)使能移動(dòng)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(fā) 手動(dòng)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(fā) 手動(dòng)模式斷使能

（1）樁體參數(shù)：當(dāng)為單重管樁時(shí)，其樁徑為600mm；當(dāng)為雙重管樁時(shí)，其樁徑為800mm；對(duì)于樁長(zhǎng)，以到達(dá)透水層下3m作為基準(zhǔn)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(fā) 手動(dòng)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(fā) 自動(dòng)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(fā) 自動(dòng)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(fā) 自動(dòng)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(fā) 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(fā) 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(fā) 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(fā)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(fā)恢復(fù)

IR[96]=0

END IF

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

模擬量觸發(fā)恢復(fù)

IR[96]=0

END IF

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

模擬量觸發(fā)恢復(fù)

IR[96]=0

END IF

4 結(jié)語(yǔ)

基于現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，力控傳感器很好地解決了學(xué)生實(shí)踐過(guò)程中因操作失誤和程序錯(cuò)誤導(dǎo)致的碰撞問(wèn)題。在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用不局限于簡(jiǎn)單的碰撞識(shí)別，可擴(kuò)展至產(chǎn)品裝配、力控打磨等多種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，后期可根據(jù)使用情況拓展教學(xué)內(nèi)容，提升設(shè)備使用率。安裝傳感器效果如圖6所示。

圖6 傳感器安裝圖