靳勵(lì)行，孟繁盛，田 野，段星光

(北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

0 引言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人被更加廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎。而協(xié)作機(jī)器人以其靈活易用、安全性高的特點(diǎn)，正在逐步地從人機(jī)隔離的結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境走向人機(jī)交融的非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境[1]，這意味著機(jī)器人可以與人共同工作，緊密協(xié)調(diào)，完成一些更為復(fù)雜的操作，如車(chē)身涂膠、微型零件組裝等任務(wù)[2-3]。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人危害性程度相對(duì)較高，因此在應(yīng)用中會(huì)通過(guò)安全柵欄等方式將人的工作空間與機(jī)器人的工作空間隔離，以保證人的安全，而由于協(xié)作機(jī)器人工作在不確定的非結(jié)構(gòu)化空間，且其會(huì)有更多的人機(jī)交互操作，故針對(duì)協(xié)作機(jī)器人的安全要求也越來(lái)越高。因此在協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，更應(yīng)凸顯本質(zhì)安全[4-7]的重要性。目前，協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)爆發(fā)期[8]，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有關(guān)于機(jī)器人的安全標(biāo)準(zhǔn)有GB 11291.1—2011和GB 11291.2—2013，但其針對(duì)協(xié)作機(jī)器人安全的要求、設(shè)計(jì)和測(cè)試等內(nèi)容不夠完善，國(guó)際組織發(fā)布了ISO/TS 15066—2016標(biāo)準(zhǔn)[9](以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn))，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)協(xié)作機(jī)器人提出了更高的要求。

標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人的碰撞問(wèn)題。機(jī)器人與人體的接觸可以分為靜態(tài)接觸與瞬態(tài)接觸。靜態(tài)接觸一般是指人體被機(jī)器人和其他部件夾在中間，此時(shí)機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)向被夾住的人體施加持續(xù)的力；瞬態(tài)接觸也被稱作動(dòng)態(tài)沖擊，僅指人體與機(jī)器人系統(tǒng)的移動(dòng)部件發(fā)生撞擊，由此導(dǎo)致的人與機(jī)器人的短時(shí)接觸，瞬態(tài)接觸取決于機(jī)器人慣性、人體慣性以及二者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。故為避免人員和機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)生無(wú)意的物理接觸而產(chǎn)生危險(xiǎn)的情況，該標(biāo)準(zhǔn)指出應(yīng)該對(duì)協(xié)作機(jī)器人的功率和力進(jìn)行限制[10]，因此對(duì)協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行評(píng)估需要測(cè)試其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下的力、速度和功率等參數(shù)，而目前國(guó)內(nèi)在機(jī)器人控制系統(tǒng)測(cè)試方面，尚處于起步階段，還無(wú)成熟的產(chǎn)品。

1 整體方案

本文依據(jù)ISO/TS 15066—2016標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)了一種協(xié)作機(jī)器人碰撞力、功和功率實(shí)時(shí)檢測(cè)平臺(tái)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中提到的人與協(xié)作機(jī)器人的工作空間關(guān)系，該平臺(tái)從4個(gè)方向分別對(duì)機(jī)械臂輸出的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)利用力傳感器和激光位移傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、采集和處理，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)中進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)協(xié)作機(jī)器人碰撞時(shí)的力曲線、功率曲線和功曲線，為評(píng)估協(xié)作機(jī)器人發(fā)生碰撞時(shí)是否對(duì)人體產(chǎn)生傷害提供依據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

人機(jī)協(xié)作碰撞力檢測(cè)系統(tǒng)工作臺(tái)如圖1所示，檢測(cè)系統(tǒng)可分為機(jī)械裝置與檢測(cè)平臺(tái)2部分。其中，機(jī)械裝置由工作臺(tái)、機(jī)器人固定座與測(cè)量柱組成。測(cè)量柱由立柱和撞擊模塊組成，撞擊模塊安裝在立柱的側(cè)面、正面及頂部。激光位移傳感器和動(dòng)態(tài)力傳感器通過(guò)基板安裝在測(cè)量柱上，其中，激光位移傳感器安裝在基板內(nèi)壁，激光測(cè)點(diǎn)位于承力板。撞擊模塊由轉(zhuǎn)接板、承力板、直線軸承、螺釘、碟簧裝配與基板組成，動(dòng)態(tài)力傳感器安裝在轉(zhuǎn)接板與基板之間。檢測(cè)平臺(tái)包括測(cè)試平臺(tái)、測(cè)試立柱、測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)采集器。測(cè)量模塊由承力板、導(dǎo)向柱、彈性元件、轉(zhuǎn)接板、力傳感器和激光位移傳感器組成；4個(gè)測(cè)量模塊分別安裝在測(cè)試立柱的側(cè)面、正面及頂部，用于檢測(cè)不同方向的碰撞；測(cè)試立柱安裝在測(cè)試平臺(tái)的臺(tái)面上；數(shù)據(jù)采集器安裝在測(cè)試平臺(tái)的機(jī)箱內(nèi)，用于采集力傳感器和激光位移傳感器的信號(hào)。另外，在機(jī)械臂末端安裝了碰撞接觸面為14 mm×14 mm的檢測(cè)探針。

圖1 人機(jī)協(xié)作碰撞力檢測(cè)系統(tǒng)工作臺(tái)

2.2 基于LabVIEW的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)包含測(cè)試軟件和測(cè)量系統(tǒng)硬件，主要完成協(xié)作機(jī)器人輸出力、位移測(cè)量以及功和功率計(jì)算。測(cè)量系統(tǒng)硬件部分主要包含動(dòng)態(tài)力傳感器、激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及控制器，其系統(tǒng)原理如圖2所示。動(dòng)態(tài)力傳感器量程為300 N，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡采用NI 9237；激光位移傳感器量程為30 mm、精度為30 μm，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡選用NI 9215；為方便以后擴(kuò)展，平臺(tái)還搭載了數(shù)據(jù)采集卡NI 9375。為方便基本功能的編程控制以及擴(kuò)展控制，控制器采用型號(hào)為cRIO-9030的嵌入式控制器，該控制器搭載了FPGA和運(yùn)行NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理器,如圖2所示。

圖2 人機(jī)協(xié)作碰撞力檢測(cè)平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

測(cè)試軟件采用LabVIEW軟件進(jìn)行編寫(xiě)，測(cè)試軟件邏輯如圖3所示，主要包括上位機(jī)程序和下位機(jī)程序，上下位機(jī)之間通過(guò)TCP進(jìn)行通訊。

圖3 人機(jī)協(xié)作碰撞力檢測(cè)平臺(tái)測(cè)試軟件邏輯圖

下位機(jī)采用DAQ模塊對(duì)硬件進(jìn)行控制。下位機(jī)程序主要包含F(xiàn)PGA程序和RT程序，可完成以下功能：

(1)通過(guò)FPGA與數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至隊(duì)列中；

(2)通過(guò)RT程序處理數(shù)據(jù)，與上位機(jī)通信并發(fā)送給上位機(jī)；

(3)通過(guò)RT程序與上位機(jī)通信，接收控制指令并控制整個(gè)下位機(jī)運(yùn)行。

上位機(jī)包含數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)回放模塊、設(shè)置模塊與指令發(fā)送模塊，主程序負(fù)責(zé)對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)度，完成如下功能：

(1)接收下位機(jī)數(shù)據(jù)；

(2)整理并顯示下位機(jī)數(shù)據(jù)；

(3)控制整個(gè)程序啟停；

(4)保存數(shù)據(jù)；

(5)回放數(shù)據(jù)。

2.3 檢測(cè)流程

測(cè)試過(guò)程中，協(xié)作機(jī)器人利用其末端的碰撞力檢測(cè)探針沿承力板的法向進(jìn)行碰撞，使承力板沿導(dǎo)向銷(xiāo)釘直線運(yùn)動(dòng)，并向轉(zhuǎn)接板與立柱之間的動(dòng)態(tài)力傳感器施加力，由力傳感器測(cè)量力的大小，同時(shí)激光位移傳感器測(cè)量承力板的直線位移，由此可得到功的計(jì)算公式：

W=FS

(1)

對(duì)其求導(dǎo)可得功率：

P=Fv

(2)

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 砝碼標(biāo)定測(cè)試

由于撞擊模塊中使用的S型力傳感器具有不對(duì)稱性，且機(jī)械構(gòu)件實(shí)際安裝為非理想化，這必定會(huì)導(dǎo)致載荷施加在撞擊模塊承力板不同位置時(shí)測(cè)量結(jié)果的差異性[11-12]，因此需要對(duì)承力板不同位置進(jìn)行誤差標(biāo)定。本實(shí)驗(yàn)采用M3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼作為輸入載荷，比較不同載荷下的實(shí)際值與測(cè)量值。由于平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)中的精度要求為0.5 N，因此要求對(duì)應(yīng)的砝碼質(zhì)量精確度應(yīng)高于該精度一個(gè)數(shù)量級(jí)，本方案中對(duì)M3及標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行再次高精度標(biāo)定，確保其質(zhì)量精度誤差在0.01 g之內(nèi)，從而間接保障其產(chǎn)生的重力精度。

撞擊模塊承力板為半徑為6 cm的圓形平面，故將測(cè)量點(diǎn)取為如圖4所示的間隔為2 cm的正方形點(diǎn)陣，共計(jì)25個(gè)測(cè)量點(diǎn)。分別將質(zhì)量為50 g、100 g、200 g、500 g的砝碼依次放置在撞擊模塊上各點(diǎn)，記錄穩(wěn)定后的力輸出值，多次測(cè)量取平均值，比較其與實(shí)際值之間的誤差，若誤差值均小于0.5 N即可判定其精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖4 測(cè)量點(diǎn)分布

圖5為不同質(zhì)量的砝碼在各測(cè)試點(diǎn)的絕對(duì)誤差擬合曲面，由圖5可以看出，同一個(gè)砝碼在不同的測(cè)試點(diǎn)誤差有所波動(dòng)，但各砝碼在不同測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量值絕對(duì)誤差均遠(yuǎn)小于0.5 N，故可得出結(jié)論：該設(shè)備滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(a)50 g砝碼各測(cè)試點(diǎn)絕對(duì)誤差擬合曲面

3.2 動(dòng)態(tài)碰撞模擬測(cè)試

瞬態(tài)碰撞過(guò)程的危害來(lái)自于在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)接觸區(qū)域的能量傳遞，而能量傳遞取決于運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的相對(duì)速度、有效質(zhì)量和身體區(qū)域、接觸面積。本方案將對(duì)此進(jìn)行研究，并將測(cè)試撞擊模塊承力板不同位置在不同載荷沖擊下的力響應(yīng)曲線以及相應(yīng)的速度、功率曲線，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼模擬協(xié)作機(jī)器人動(dòng)態(tài)碰撞情況。

本實(shí)驗(yàn)中同樣采用圖4中所示的各測(cè)量點(diǎn)，分別將質(zhì)量為200 g、500 g的砝碼從不同測(cè)量點(diǎn)的相同高度(2 cm)釋放，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程曲線。測(cè)試分為2組，第一組按照P0～P8順序測(cè)量，第二組從第一象限到第四象限按照A-B-C-D順序測(cè)量。圖6為測(cè)試結(jié)果。

(a)200 g砝碼P0～P8測(cè)量點(diǎn)“力-速度-功率”曲線

其中，速度是由位移進(jìn)行微分得到，功率為速度與力的乘積，經(jīng)過(guò)多組標(biāo)準(zhǔn)砝碼重復(fù)測(cè)試，碰撞力的絕對(duì)測(cè)試精度小于0.5 N，相對(duì)測(cè)量精度為2.5% 之內(nèi)，且因?yàn)槟Σ亮?lái)的影響隨著測(cè)量力的增大而降低，相對(duì)測(cè)量精度隨測(cè)量力的增大逐步提高。撞擊模塊能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)出力信號(hào)及功率信號(hào)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，穩(wěn)定值測(cè)量誤差小，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種協(xié)作機(jī)器人碰撞力、功和功率檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)并采集碰撞過(guò)程中的力、位移、速度、功率及功等多路信號(hào)，各分系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，采樣頻率高，測(cè)控實(shí)時(shí)性好，碰撞力的絕對(duì)測(cè)試精度小于0.5 N，相對(duì)測(cè)量精度在2.5%之內(nèi)。該系統(tǒng)為協(xié)作機(jī)器人的力和功率限制提供了參考數(shù)據(jù)，并為協(xié)作機(jī)器人與人之間的碰撞提供了有效的量化表征方法，對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。該系統(tǒng)可用于協(xié)作機(jī)器人安全檢測(cè)，為協(xié)作機(jī)器人力和功率限制提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。