楊斌

摘? 要： 以快速檢測(cè)大量仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征為目標(biāo)，設(shè)計(jì)仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)檢測(cè)關(guān)節(jié)特征為關(guān)節(jié)扭矩，檢測(cè)模塊的輪輻式扭矩傳感器與扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x配合使用，測(cè)量關(guān)節(jié)扭矩大小。PLC控制器從步進(jìn)電機(jī)與扭矩傳感器中獲取檢測(cè)信息，向關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器與控制器傳輸檢測(cè)命令，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)扭矩自動(dòng)檢測(cè)。實(shí)時(shí)控制單元與非實(shí)時(shí)控制單元構(gòu)成系統(tǒng)軟件，二者以內(nèi)存共享區(qū)域?yàn)橹薪榉窒頇z測(cè)數(shù)據(jù)，為檢測(cè)模塊提供軟件支持。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)檢測(cè)仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩誤差低于0.2 N·m，符合仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)特征檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞： 仿人機(jī)器人; 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 關(guān)節(jié)特征監(jiān)測(cè); 關(guān)節(jié)扭矩; 系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN957.52+3?34; TP242? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）08?0176?03

Automatic detection system for joint?driving flexible feature of humanoid robot

YANG Bin

（Department of Industrial Automation， Guang Dong Polytechnic College， Zhaoqing 526100， China）

Abstract： The automatic detection system for joint?driving flexible features of humanoid robot is designed with taken rapid detection of a large number of joint?driving flexible features of humanoid robot as target. The joint feature detected by the system is the joint torque， and the hub?and?spoke torque sensor of the system detection module is used together with the torque rotational speed measurer to measure the size of the joint torque. The PLC controller obtains detection information from stepping motor and torque sensor， and transmits detection command to joint driver and controller， so as to realize the automatic detection of joint torque. The real?time control unit and the non?real?time control unit constitute the system software， and both which share the detection data with the memory shared area as the intermediary to provide software support for the detection module. The testing results show that the torque error of humanoid robot′s joint detected by the system is less than 0.2 N·m， which conforms to the detection standard of joint feature of humanoid robot.

Keywords： humanoid robot; joint drive; system design; joint feature detection; joint torque; system test

0? 引? 言

機(jī)器人發(fā)展水平是國(guó)家科技發(fā)展的體現(xiàn)與象征，是智能化領(lǐng)域的延伸。仿人機(jī)器人集計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)與控制技術(shù)于一身，兼具人類的四肢與頭部，依照人類行為與形態(tài)設(shè)計(jì)行走姿態(tài)[1]。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性是仿人設(shè)計(jì)的突出表現(xiàn)，其在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可模仿人類扭轉(zhuǎn)上下肢關(guān)節(jié)[2?3]。

仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征較多，如扭矩特征、轉(zhuǎn)角特征、振動(dòng)特征等[4]，這些特征均能體現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)是否符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、能否在工作中正常運(yùn)行[5]。為此，本文以提升仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)柔性控制效果與性能為目標(biāo)，設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩特征，為保障機(jī)器人關(guān)節(jié)合格率、優(yōu)化仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)柔性提供參考依據(jù)。

1? 設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.1? 硬件組成

仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件包括檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)控制端和檢測(cè)模塊三部分，如圖1所示。

1） 檢測(cè)對(duì)象為仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)，通過關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器、電源以及關(guān)節(jié)控制器展現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征。1553B總線是關(guān)節(jié)控制器與檢測(cè)控制端的連接中介，總線協(xié)議接口芯片型號(hào)為J16580R，在RT 16位緩沖模式下運(yùn)行良好[6]。

2） 檢測(cè)控制端的PLC自動(dòng)控制器與檢測(cè)對(duì)象驅(qū)動(dòng)器控制器連接，與檢測(cè)模塊的步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等元件連接，通過這種連接關(guān)系自動(dòng)傳輸控制信息，確保系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)關(guān)節(jié)特征。PLC自動(dòng)控制器采用帶晶體管形式輸出，該控制器的Q0.0，Q0.1，Q0.2端口可輸出3個(gè)高速脈沖信號(hào)，脈沖頻率[7]上限為100 kHz。

3） 扭矩傳感器、步進(jìn)電機(jī)、正余弦編碼器以及磁粉制動(dòng)器是檢測(cè)模塊的主要元件。其中只有編碼器直接連接計(jì)算機(jī)板卡，另外元件不具備該功能，編碼器結(jié)合IK220板卡采集檢測(cè)數(shù)據(jù)并有效處理[8]，扭矩傳感器與磁粉制動(dòng)器以RS 232串口完成數(shù)據(jù)通信。輪輻式扭矩傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力與靈敏度，組裝簡(jiǎn)單[9]，多個(gè)輪輻以對(duì)稱的形式分布[10]。設(shè)置扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x配合扭矩傳感器使用，“置零”是扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的突出功能，可有效防止外界溫濕度等因素對(duì)傳感器測(cè)量產(chǎn)生干擾，降低傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度[11]。傳感器精度在仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)指標(biāo)精度以上，測(cè)量區(qū)間大于關(guān)節(jié)測(cè)量變化區(qū)間[12]。

1.2? 軟件組成

在Windows XP+RTX環(huán)境中開發(fā)設(shè)計(jì)仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)掌握仿人機(jī)器人特征檢測(cè)情況。圖2為仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分實(shí)時(shí)控制單元與非實(shí)時(shí)控制單元，兩單元以內(nèi)存共享區(qū)域?yàn)橹薪閷?shí)現(xiàn)檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)交互[13]。命令模塊、變量模塊以及數(shù)據(jù)緩沖模塊是內(nèi)容共享區(qū)域的主要構(gòu)成，功能是將讀取用戶的開啟主線程、調(diào)整關(guān)節(jié)控制模式等命令傳遞至實(shí)時(shí)單元[14]。變量模塊具有兩個(gè)主要功能：一是向非實(shí)時(shí)單元傳遞線程運(yùn)行狀態(tài)信息，如關(guān)節(jié)控制信息、線程自身狀態(tài)信息等;二是向?qū)崟r(shí)線程輸出關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)目標(biāo)電流等控制參數(shù)[15]。最后，仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的全部過程數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

2? 系統(tǒng)測(cè)試

選取某高校實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，在Windows 7中運(yùn)行系統(tǒng)軟件，在Matlab平臺(tái)中處理檢測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)硬件與軟件環(huán)境搭建完畢，選取5種型號(hào)仿人機(jī)器人作為系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象，不同型號(hào)仿人機(jī)器人外觀差異較大。A，B，C，D，E為5種型號(hào)機(jī)器人編號(hào)，系統(tǒng)具體測(cè)試對(duì)象為機(jī)器人的上肢與下肢。同時(shí)設(shè)置仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩特征檢測(cè)誤差在0～0.2 N·m之間為符合要求。

2.1? 系統(tǒng)檢測(cè)界面

檢測(cè)仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩的界面如圖3所示。

圖中，關(guān)節(jié)扭矩檢測(cè)界面左側(cè)自動(dòng)顯示關(guān)節(jié)扭矩曲線與電流曲線，以供分析機(jī)器人關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動(dòng)特征是否符合標(biāo)準(zhǔn);界面右上端展示被測(cè)量仿人機(jī)器人的整體形象，點(diǎn)擊右側(cè)選項(xiàng)可查看詳細(xì)信息，根據(jù)需求更換檢測(cè)對(duì)象;右下端具備自動(dòng)檢測(cè)、手動(dòng)檢測(cè)、重新檢測(cè)功能，用戶按需求選擇檢測(cè)類型;檢測(cè)中出現(xiàn)意外情況或重要信息可在備注欄中記錄。

2.2? 檢測(cè)結(jié)果分析

采用本文系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

對(duì)比本文系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與關(guān)節(jié)扭矩真實(shí)設(shè)定值，得到本文系統(tǒng)檢測(cè)誤差如表2所示。

表2顯示本文系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩誤差最大為0.15 N·m，低于0.2 N·m，符合機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，因此本文系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)構(gòu)可靠性較強(qiáng)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.3? 系統(tǒng)性能分析

選取50個(gè)機(jī)器人左上肢肘關(guān)節(jié)作為測(cè)試對(duì)象，采用自適應(yīng)關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)、在線模糊調(diào)整關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)比，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下檢測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的扭矩，記錄檢測(cè)過程中三種系統(tǒng)時(shí)間開銷、靈敏度、扭矩檢測(cè)誤差三種性能指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。

表3數(shù)據(jù)顯示，本文系統(tǒng)檢測(cè)50個(gè)左上肢肘關(guān)節(jié)時(shí)間開銷為25 min，相比自適應(yīng)關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)、在線模糊調(diào)整關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)節(jié)約187 min，223 min。由于本文系統(tǒng)具備自動(dòng)檢測(cè)功能，形成自動(dòng)檢測(cè)流程，大量節(jié)省人工安裝、拆卸關(guān)節(jié)等工作量，檢測(cè)時(shí)間開銷較小;相對(duì)而言，另外兩種對(duì)比系統(tǒng)不具備自動(dòng)檢測(cè)功能，檢測(cè)時(shí)間開銷較大。本文系統(tǒng)檢測(cè)關(guān)節(jié)扭矩的靈敏度高達(dá)152.3 mV·（N·m）?1，對(duì)關(guān)節(jié)扭矩的反應(yīng)較快，識(shí)別能力強(qiáng)。扭矩檢測(cè)誤差結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)與在線模糊調(diào)整關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)符合機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但自適應(yīng)關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)誤差為0.32 N·m，誤差較大。綜合對(duì)比可知，本文系統(tǒng)檢測(cè)性能良好，優(yōu)勢(shì)突出。

3? 結(jié)? 論

仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征較多，本文設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)柔性特征自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)關(guān)節(jié)的扭矩特征。配合使用輪輻式扭矩傳感器與扭矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)扭矩?cái)?shù)據(jù)，采用PLC自動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)自動(dòng)檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)智能化水平較高，檢測(cè)時(shí)間耗費(fèi)少，適合應(yīng)用于大批量機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩檢測(cè)中。

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