基于力传感器的工业机器人力控试验系统的研制

夏添　喻镇涛　王金亮　石见白　袁辉

摘 要：随着工业机器人在汽车零部件等相关试验中的应用不断深入，单纯使用位置控制的工业机器人已无法满足某些汽车零部件试验中控制力和监测力的应用要求。本文研制了一种基于力传感器的机器人力控系统，该系统是以IRB4600机器人为平台，由三分力传感器、力传感器放大器、模拟量输入端子模块、DeviceNet总线耦合器和工控机等组成。该系统具有力闭环控制和监测功能，根据力值的反馈可以调节机器人的姿态来达到试验要求。通过座椅强度耐久试验的结果分析，表明该系统可以满足机器人力控制方面汽车零部件试验的需求。

关键词：工业机器人；力控制；三分力传感器；LabVIEW软件

中图分类号：U467.3 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）06-0098-04

Abstract： With thorough application of industrial robots in the automotive components test， the industrial robots using position control have been unable to meet the application requirements of the monitoring force in some automobile components test. The industrial robot force control system based on force sensor has been developed in this paper. The system is based on the platform of IRB4600 robot ，using the three-dimensional force transducer、force transducer amplifier、analog input terminal module、DeviceNet bus coupler and industrial control computer etc. According to the feedback fore，the system having the function of force closed-loop control and monitoring can adjust the attitude of the robot to meet the test requirements.The result of seat strength durability test shows that the system can meet the requirement of the test of automobile components in robot force control.

Key Words： Industrial robot； Force control； Three-dimensional force transducer； LabVIEW soft

1 引言

近年来，中国汽车工业发展迅速，市场规模、生产规模迅速扩大，汽车工业已成为国民经济支柱产业。汽车厂家越来越重视汽车的零部件质量，随着质量的重视，汽车零部件的试验种类越来越多，试验方法越来越难。汽车发展的这段时间，工业机器人的发展也非常迅猛。工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、动作灵活等优势[1]，工业机器人的应用领域不断得到拓展，所能够完成的工作日趋复杂，特别应用于汽车制造和汽车试验中。

众所周知，机器人在空间中的运动总体概况起来可以分为两种形式：一种是机器人末端执行器的运动不受任何形式的约束，对这种运动可以采取纯位置进行控制。如传统工业机器人当中运用最广泛的喷漆，弧焊这些不与环境物体相接触的运动。另一种是机器人末端的运动受到空间的约束，这种形式的机器人运动随着科技的发展已经越来越多的运用到工业生产当中。这种作业都会发生机器人和环境的交互作用，把这种作用力称作是接触力，即机器人具有力控功能[2]。机器人通过力传感器与外界环境进行交互，从而调整机器人的位置姿态来满足要求。

现在很多汽车零部件试验不仅需要走既定的轨迹，还需要记录轨迹过程中的力，例如换挡机构耐久试验中要监测换档力，汽车座椅强度耐久试验要求用假臀模型以一定范围的垂直力挤压座椅等试验。因此具有力控的机器人[3]才能完成上述试验。

本文就是基于上述现状，研制了机器人力控系统。该系统是以IRB4600机器人为平台，利用三分力传感器、力传感器放大器、模拟量输入端子模块、DeviceNet总线耦合器和工控机等设备研制了具有力控闭环的工业机器人力控试验系统。基于该系统完成了座椅强度耐久试验，从试验结果分析，该系统完全可以满足机器人力控制方面试验的需求。

2 系统的研制需求和工作原理

2.1 系统的研制需求

现有ABB机器人都只能进行纯位置控制，可以用于轨迹类试验例如车门开闭耐久试验，然而一些零部件试验在进行既定轨迹时候需要控制力或监测力，例如模拟人体进出座椅试验[4]要求三维假人模型水平滑入座椅并陷入座椅边翼和靠背边翼各约25mm，三维假人模型旋转30°使得模型后部内侧先进入，直到模型中心线和座椅中心线对齐，模型陷入座椅直到载荷为445N后，模型约以30°和445N载荷蠕动靠背，然后模型以445N载荷停留在座椅直到一半移出座椅，以4.5次/min重复上述过程15000次。基于上述需求，只有把力控制引入到工业机器人控制系统中来，使得机器人能够对外界力产生适时的反馈并且对产生的力进行调整，才能使得机器人具有力控功能，满足试验的要求。

2.2 系统的工作原理

将力传感器集成到机器人控制中，就可以使得机器人具有力控功能。将力控制加入机器人的控制系统中，主要涉及到力信号的传递过程和力的处理过程。该系统的工作原理如图1所示，它包含两个过程：a）力信号的传递过程：机器人末端的ME力传感器K3D120将力信号通过FC-GSV-11H力传感器放大器进入倍福KL3001输入模块，KL3001输入模板通过倍福BK5250总线耦合器与机器人控制器进行DeviceNet通讯，机器人控制器获得实际力。同时机器人控制器通过工业以太网EtherNet与上位机的监测软件进行通讯，让力值以图形形式在上位机上显示；b）力信号的处理过程：在试验运行中，机器人控制器接受到实际力值，机器人的试验程序将实际力值与目标力进行比较，在下个周期调节机器人位置姿态来到达力的目标值，从而实现机器人的力控功能。

3 系统的研制

3.1 硬件平台的设计

硬件平台如图2所示，主要包括型号为IRB4600的ABB机器人、三分力传感器、力传感器放大器、模拟量输入端子模块、DeviceNet总线耦合器、PLC和工控机等设备。三分力传感器安装在机器人第六轴法兰盘上，用来测量在传感器坐标系下x、y、z三方向所受的力。三分力传感器、力传感器放大器和模拟量输入端子模块都安装在机器人控制器里面。PLC、工控机和一些电器元件安装在定制的控制柜里面。

3.2 软件平台的设计

系统软件部分包括机器人示教器的人机交互界面和工控机上的信号图形显示界面等两部分组成。

机器人的人机交互界面由ABB公司提供的图形化语言工具ScreenMaker编写的。图形化语言工具ScreenMaker提供现成图形，我们只需设置相应控件的属性即可完成相应控件的功能，不需要关心底层的程序，便于上手。机器人的人机交互界面如图3所示，它由压力参数设定、机器人状态和校准三个功能模块组成。压力参数设定界面如图4所示，它的功能主要是显示三分力传感器的力信号的实际值、设定的保护值和容差值以及试验开始前对力信号进行置零的功能。机器人状态界面如图5所示，它的功能主要是设置试验次数、试验载荷、力控偏移值等试验相关参数，同时显示系统的工作状态。校准界面如图6所示，它的功能主要是对三分力每个方向的力进行标定，以后换传感器可以很方便的进行标定。

工控机上的信号图形显示界面主要功能是力信号的图形显示和数据采集存储。LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境[5]，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。它是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言，可用来非常方便地创建用户所需界面。鉴于LabVIEW这些优点，信号图形显示界面主要是采用是现在主流的图形编程语言LabVIEW编写而成的。信号图形显示界面如图7所示，在LabVIEW软件的前面板利用现成的控件设计了力信号图形和采集存储显示界面。该界面主要包括三个方向力的实时显示大小、试验运行的次数、试验数据的存储等功能。前面板中控件的功能实现是需要在流程图中利用图形化源代码进行编写实现的。信号图形显示界面中图形显示模块功能的流程图程序如图8所示：

4 系统的验证

为了验证系统的可行性，我们利用机器人力控系统进行汽车座椅强度试验。汽车座椅强度试验的要求是座椅的坐垫受100N-300N的上下往复载荷，循环次数为10万次。机器人力控系统进行座椅强度试验的试验台如图9所示：

图10为自行研制基于力传感器的机器人力控系统对座椅进行疲劳强度试验的过程中实时绘制的力值曲线图。由于座椅表面有一定水平角度，因此三分力传感器x和y方向会受一定的力，从力值曲线图可知，三分力传感器x和y方向所受的力值很小，不影响座椅受力情况，同时可知三分力传感器z方向所受力值符合试验要求。因此，机器人力控系统满足座椅强度试验的要求。

5 结论

本文通过力传感器将力控制引入到工业机器人控制系统中来，使得机器人能够对外界力产生适时的反馈并且对产生的力进行调整，使得以位置控制的机器人具有力控功能。本文利用该系统进行了座椅强度耐久试验，从试验结果分析，该系统完全可以满足座椅的试验要求，验证了该系统的可行性。该系统还完成了一些监测换档力的换挡机构耐久试验、汽车钣金件的刚度试验和车内仪表板总成的零部件刚度试验，试验结果可靠。该系统在汽车零部件力控试验中具有很大的应用价值。

参考文献：

[1]计时鸣，黄希欢. 工业机器人技术的发展与应用综述[J].机电工程.2015.

[2]吴得祖. 基于六维力传感器的机器人曲面跟踪力控制与实验研究[D]. 燕山大学.2013：1-10.

[3]李正义.机器人与环境间力/位置控制技术研究与应用[D].华中科技大学.2011：1-20.

[4]QC/T 740-2005.乘用车座椅总成：4.2.12模拟人体进出座椅试验.

[5]Gary W.Johnson，Richard Jennings.LabVIEW图形编程[M].北京大学出版社.2002.