力矩传感器在工业机器人集成控制中的应用

张忠雨

(重庆科创职业学院，重庆 402160)

0 引言

通过机器人可以快速高效地完成工作已成为当前发展的必然趋势，机器人完成的任务基本都是一个可重复的过程。为了将机器人融入到越来越多的生产过程中，一般在机器人应用中配备了额外的传感器。在本项目中，工业机器人配备了一个力矩传感器和控制装置，通过安装在机器人上的传感器进行手动引导，通过调整控制软件后，机器人可以通过手动方式移动到所需位置，并通过控制器上配置的按钮将机器人当前位置保存下来，通过这种方式快速的创建运动轨迹。本项目除了这些功能外，机器人控制装置已配置成可以通过执行传感器引导的运动，机器人控制装置能够通过力矩传感器检测工具与工件之间的力，并在运动过程中保持恒定。

1 项目实施过程

1.1 硬件设备选择

在这个应用中，使用KUKA GmbH带有KRC2控件的KR16-2型工业机器人，力矩传感器选用的是Schunk公司的“SI-130-10”型号。传感器系统的另一个组件是ATI工业自动化公司的网盒，把它作为传感器和机器人控制之间的接口。为了扩展机器人控制器，传感器系统通过KUKA力控软件包对加工过程中的力和力矩施加影响，以提高机器人应用的质量和加工过程的安全性。

1.2 安装与配置

1.2.1 网络设置

在KRC C2上，嵌入式Windows XP和实时操作系统VxWorks两个操作系统并行运行，后者用于机器人和控制器之间的通信。该控制器的以太网端口分配给VxWorks，用于网盒与控制器之间的实时数据传输。由于机器人控制的实时性要求，通过实时以太网总线EtherNet / IP进行通信。网络设置如下图1所示。

图1 网络设置

1.2.2 Force Torque Control的应用

Force Torque Control可以使工业机器人对作用在机器人工具上的力和力矩作出灵敏的反应，机器人通常在编程设定的轨迹上运动，而不会考虑作用在工具或工件上的力或力矩。在很多情况下，所产生的加工作用力会对一项应用(例如装配、抛光、磨削、折弯时)的质量和流程的可靠性具有决定性的影响。通过KUKA.ForceTorque Control可以编程设定并遵守机器人运动的加工作用力和力矩。图2展示了通过Force Torque Contro控制机器人运动的技术方法。将测量的力与目标值进行比较，控制电路对结果进行处理、评估，并与编程路径进行比较，根据这些结果，机器人将通过控制装置进行移动，从而实现所需的力和力矩目标值。

图2 力-力矩控制实现方法

2 项目应用过程

2.1 手持机器人运动示教

基于手持机器人的运动，已经创造了直接保存到达点的机会，这样可以很快创建所需的序列。

2.1.1 法兰适配器

为了使力-扭矩传感器能够安装在机器人的法兰上，设计了用于法兰连接的手动导向适配器如图3所示，这样可以在传感器上为手动引导装置安装电缆和连接器，便于用手动工具直接引导机器人，必须对适配器进行修改，以便可以将手引导装置和工具同时安装在机器人法兰上。

图3 法兰适配器

2.1.2 重力坐标

由于手动导向装置的方向在引导过程中会发生变化，因此有必要补偿传感器支架的自重，以确定支架的重量和重心。为此，FTCtrl提供了函数rsiftload determination()。当被调用时，机器人被移动到不同的位置并测量力。利用这些数据计算并显示质心坐标。利用坐标和已知的安装重量，机器人控制程序可以在传感器初始化期间生成可变重量向量。

2.1.3 配置文件

复制手动向导时使用的配置文件，并且更改一些参数。输入计算出的传感器对准。在这种情况下，X=60 mm，Y=-60 mm和Z=63 mm的平移。传感器坐标系相对于法兰坐标系的旋转计算为A=45°，B=-45°，C=90°。其他更改只需要在控制器设置上进行。上升时间从0.25 s增加到0.4 s。这样可以稳定循环，并可以精确定位刀具接近的位置。

2.1.4 程序扩展

为了实现该应用，需要对人工引导程序进行扩展。为了保存手动引导运动时的位置，需要一个中断程序，按下手动引导装置上的按钮可触发中断。调用的函数将机器人的实际位置保存在一个全局数组中。当所有位置接近并保存后，可以停止手动引导运动，并将保存的位置用于另一个程序来创建运动序列。

2.2 传感器引导运动

为了演示传感器引导的运动，机器人将设定的力Fz应用到数字刻度上。这表明机器人在力-扭矩传感器的帮助下可以精确地施加所需力的过程。此外，调整器响应的影响可以通过参数的变化来证明。

2.2.1 法兰适配器

与手动引导一样，传感器安装在机器人法兰的Z方向上。在传感器本身上安装了一个矩形铝块，通过该块向刻度施加所需的力。此外，可以使用20°倒角的斜面显示除施加的力外的方向补偿。

2.2.2 配置文件

在Z方向上输入了75 mm的平移量，选择激活的自由度Fz，作为参考值，可以选择传感器和机器人特性测量范围内的任意值。为了演示，Fz的终止条件将设置为值+/-0.005N，这相当于大约0.5 g。控制器设置可以单独选择来演示不同的效果。短的上升时间(<0.15 s)或较快的速度会使控制回路剧烈振荡。例如，如果系统刚度设置为非常软，速度设置为中等，上升时间设置为0.3 s，目标力设置为Fz=29N，则刻度显示为2960 g。因此，在非理想条件下，偏差仅为0.14%。

2.2.3 程序流程图

基于力矩传感器的机器人控制流程如下图4所示。

图4 基于力矩传感器的机器人控制流程图

3 结语

在此项目中，使用KUKA KR16-2型工业机器人，Schunk公司的“SI-130-10”型力矩传感器进行集成，能够实现使操作者可以手动引导机器人，并通过控制装置能够记录机器人当前位置值，通过这种方式非常快速地创建运动轨迹，并高效实现期望的运动过程，解决工业机器人生产过程编程复杂、获取示教点费时等问题。