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(jī)電工程學(xué)院，太原 030000；3.浙江省機(jī)器人與智能制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波 315201）

目前，大多數(shù)的工業(yè)機(jī)器人只能通過示教板或者離線編程來使其實(shí)現(xiàn)特定的軌跡運(yùn)動(dòng)。其中，示教板示教需要操作者具有一定的操作經(jīng)驗(yàn)并且要特別熟悉機(jī)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(jī)器人開發(fā)商所提供的編程軟件，除此之外，由于機(jī)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(duì)于機(jī)器人的人機(jī)互動(dòng)興趣，產(chǎn)生了一種新的示教形式，能夠使人和機(jī)器人在同一空間內(nèi)進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，降低對(duì)操作者的要求，并且使機(jī)器人快速準(zhǔn)確地到達(dá)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(jī)器人接觸，通過牽引機(jī)器人末端來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，過程中可以記錄機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡然后實(shí)現(xiàn)重復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此，毫無經(jīng)驗(yàn)的操作者也可以操作機(jī)器人來達(dá)到期望的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)某一運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣便提高了機(jī)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(shí)際生產(chǎn)。文獻(xiàn)[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(jī)器人。文獻(xiàn)[9]研制直接示教裝置夾于機(jī)器手末端，通過2個(gè)六維傳感器來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，調(diào)整機(jī)器人的位姿，完成去毛刺工作中的示教任務(wù)。文獻(xiàn)[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(dòng)機(jī)構(gòu)和位置傳感器，在PC機(jī)中處理之后，使工具軸線方向的位移得到補(bǔ)償。在工具末端通過控制移動(dòng)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(jī)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(jī)器人用于實(shí)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(shí)際生產(chǎn)中，但是只是適用于他們自己的機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)于目前大多數(shù)機(jī)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(jī)器人來實(shí)現(xiàn)直接示教。機(jī)器人的操作系統(tǒng)一般不對(duì)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(shí)現(xiàn)力與速度（位置）的轉(zhuǎn)化來實(shí)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(jī)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(shí)用來觸發(fā)記錄示教點(diǎn)以及playback信號(hào)。

2）Modbus拓展模塊：用來拓展機(jī)械臂I/O口，是實(shí)現(xiàn)示教手柄與機(jī)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(diǎn)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(hào)，傳輸給數(shù)據(jù)采集卡。

4）數(shù)據(jù)采集卡：信號(hào)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(hào)并將其傳輸給PC。

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

6）UR控制器：機(jī)械臂的控制系統(tǒng)主要集成部分，接收來自上位機(jī)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(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩電機(jī)的控制信號(hào)，從而控制機(jī)械臂到達(dá)用戶指定軌跡點(diǎn)。

7）工業(yè)機(jī)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(dòng)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(jìn)行示教的牽引裝置。同時(shí)在手柄上有記錄示教點(diǎn)的按鈕，當(dāng)示教者在示教時(shí)需要記錄某一個(gè)示教點(diǎn)，只要觸發(fā)示教點(diǎn)記錄按鈕即可。而另外一個(gè)按鈕是示教者在完成示教，需要機(jī)器人重復(fù)剛才的示教軌跡點(diǎn)時(shí)，則需要按playback按鈕。2個(gè)按鈕都是與數(shù)字輸入模塊相連接用來給UR10機(jī)器人傳遞輸入信號(hào)，以此作為實(shí)現(xiàn)示教點(diǎn)記錄以及playback功能實(shí)現(xiàn)的觸發(fā)信號(hào)。

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(shí)現(xiàn)外部輸入以及與UR10控制器通過以太網(wǎng)連接實(shí)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(shí)現(xiàn)記錄示教路徑點(diǎn)以及playback功能的觸發(fā)信號(hào)。

1.3 傳感器

采用ATI公司的六軸力/力矩傳感器，型號(hào)為Delta SI-330-30，采用DAQ F/T系統(tǒng)采集操作者示教時(shí)x，y，z方向的力與力矩的模擬信號(hào)，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(gè)，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(gè)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(jī)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(gè)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(shí)也有各種電氣輸入輸出接口，可以實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)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(jī)器人

采用優(yōu)傲公司UR10六關(guān)節(jié)機(jī)械臂，負(fù)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(jī)器人的I/O端口。

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

上位機(jī)與下位機(jī)之間是通過Socket TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信時(shí)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(jìn)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(jìn)行處理進(jìn)而反饋給機(jī)器人，減小延遲時(shí)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(hào)。

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(gè)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(dāng)作標(biāo)志位判斷力矩會(huì)受溫度等因素影響使數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，誤差會(huì)加大。因此將模擬電壓轉(zhuǎn)化成力/力矩同時(shí)加上溫度補(bǔ)償作為判斷標(biāo)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(bǔ)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(cè)量的溫度補(bǔ)償電壓 VC與初始校正溫度補(bǔ)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(bǔ) 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(bǔ)償估計(jì)值，V0=（-0.2102 0.0189-0.2076 0.0058-0.2098-0.0133）；VT0為溫度補(bǔ)償估計(jì)值，為-2.8748 V；V為當(dāng)前估計(jì)值，V=（-0.3464 0.3158-0.3019-0.0697-0.3522 0.0817）；VT為當(dāng)前溫度估計(jì)值，為-2.968 V；C為ATI公司提供的傳感器6×6校準(zhǔn)矩陣，是一個(gè)常量矩陣，根據(jù)不同傳感器校準(zhǔn)矩陣也不同，與傳感器型號(hào)有關(guān)；CT為C的轉(zhuǎn)置矩陣。

2.2.3 傳感器的重力補(bǔ)償

當(dāng)將傳感器安裝到機(jī)械臂末端時(shí)，由于傳感器的自重會(huì)在z軸方向產(chǎn)生一個(gè)力，所以會(huì)影響示教力的判斷，因此需要進(jìn)行重力補(bǔ)償，補(bǔ)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(diǎn)數(shù)據(jù)

UR機(jī)器人向PC發(fā)送的TCP點(diǎn)坐標(biāo)只能是以字符串形式發(fā)送，而接收時(shí)只能識(shí)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(diǎn)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到一個(gè)緩沖數(shù)組中，便于之后發(fā)送給UR 機(jī)器人。 而坐標(biāo)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(chǔ)到一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)組中。

如下代碼使用sscanf函數(shù)，運(yùn)用正則表達(dá)式將recvbuf中接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)示教系統(tǒng)的運(yùn)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(hào)，并用數(shù)據(jù)采集卡來采集這些模擬電壓信號(hào)，將其上傳到PC。由于模擬電壓信號(hào)受溫度等干擾因素影響波動(dòng)大，所以在PC端將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成力/力矩，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在機(jī)械臂末端加作用力，就會(huì)有相應(yīng)的位移，但是機(jī)械臂處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)都是鎖住狀態(tài)，要使機(jī)械臂產(chǎn)生位移需要很大的推動(dòng)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(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)換算，而是以轉(zhuǎn)換的力/力矩信號(hào)作為標(biāo)志位判斷操作者在哪個(gè)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(shí)現(xiàn)直接示教。根據(jù)以上系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(jìn)行力/力矩傳感器的模擬電壓信號(hào)與力/力矩信號(hào)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)處理以及示教軌跡點(diǎn)的存儲(chǔ)。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(gè)通道的數(shù)據(jù)上傳到PC。PC將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成力/力矩存儲(chǔ)到一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)組當(dāng)中，而服務(wù)器與客戶端之間是通過Socket TCP進(jìn)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(shí)，服務(wù)器還要接收來自客戶端傳來的示教軌跡點(diǎn)并且存儲(chǔ)到一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)組中。當(dāng)playback信號(hào)發(fā)出后，服務(wù)器會(huì)重新將這些數(shù)據(jù)6個(gè)為1組發(fā)送給客戶端，實(shí)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(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)程序以及直接示教執(zhí)行程序。示教實(shí)現(xiàn)流程主要是先判斷從服務(wù)器發(fā)送來的標(biāo)志數(shù)據(jù)，即 x，y，z，Rx，Ry，Rz 6個(gè)方向的數(shù)據(jù)。首先是最基本的x，y，z方向，當(dāng)x位的數(shù)據(jù)大于4時(shí)，循環(huán)給x方向加單位速度，但是這樣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，機(jī)械臂會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)卡頓的情況。所以經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)將單位速度設(shè)為0.012 m/s，對(duì)應(yīng)的力為4 N，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)會(huì)更加流暢。當(dāng)力增大時(shí)，需要加快速度，體現(xiàn)出示教力增大，機(jī)械臂移動(dòng)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(dāng)力施加于x，y，z夾角方向時(shí)，就需要兩兩進(jìn)行判斷，同時(shí)2個(gè)方向上進(jìn)行位移處理。而在進(jìn)行力/力矩判斷的同時(shí)，通過Modbus模塊拓展了2個(gè)輸入，1個(gè)輸入作為示教標(biāo)志位，1個(gè)輸入作為playback標(biāo)志位。當(dāng)標(biāo)志位1處于高電平時(shí)，接收來自PC的示教軌跡點(diǎn)，完成playback。而標(biāo)志位2處于低電平時(shí)，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(shí)現(xiàn)程序流程Fig.5 Flow chart of teach handle

客戶端程序是按照2個(gè)線程進(jìn)行的，一個(gè)線程用來實(shí)現(xiàn)直接示教的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)執(zhí)行，一個(gè)線程用來記錄示教點(diǎn)，將軌跡點(diǎn)發(fā)送到PC儲(chǔ)存。

當(dāng)操作者對(duì)機(jī)器人示教完之后，需要機(jī)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(huì)將每個(gè)記錄位點(diǎn)的坐標(biāo)重新發(fā)送給客戶端，然后客戶端會(huì)依次執(zhí)行movej指令，從而實(shí)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(gè)正方形工件輪廓作為示教軌跡進(jìn)行示教，選取特征點(diǎn)進(jìn)行記錄，圖8為對(duì)示教軌跡的playback過程。

圖7 沿工件輪廓進(jìn)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(gè)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(jī)械臂上實(shí)現(xiàn)直接示教，通過上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理將傳感器的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為力/力矩信號(hào)作為示教力/力矩的判斷標(biāo)志，客戶端通過標(biāo)志位的變化來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直接示教。然而，由于傳感器感知的信號(hào)沒有進(jìn)行處理，所以信號(hào)存在較大的干擾，加上人的示教力波動(dòng)較大，所以在示教過程中會(huì)存在一定的位置偏移，同時(shí)，在進(jìn)行x，y，z夾角方向判斷時(shí)不夠精確，示教精度沒有那么高，該系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)到機(jī)器人系統(tǒng)，是在外環(huán)的間接變量轉(zhuǎn)換，會(huì)稍微有一點(diǎn)延遲，所以本系統(tǒng)有待進(jìn)一步的優(yōu)化，使示教更加流暢，精度更高。

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