火箭貯箱噴涂機器人直接示教運動感知器設(shè)計與分析

付 興, 李 月, 徐海波, 陳 磊, 王黎光

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999； 2.中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621999；3.西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引 言

運載火箭通常配置有多組貯存推進劑燃料的貯箱，直徑約2～3 m，長度約5～12 m?；鸺A箱外壁面需要進行多組分、多層絕熱包覆涂層的噴涂工作，涂層覆蓋率指標(biāo)為100 %；同時，各噴涂工藝環(huán)節(jié)對噴涂的壁厚、噴涂均勻性與連續(xù)性等參數(shù)提出了較高的技術(shù)指標(biāo)。人手工噴涂作業(yè)的勞動工作強度大、污染重、自動化程度低、噴涂效率低；機器人示教盒示教方法人機不友好，操作費事費力[1]；大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機器人自動噴涂軌跡規(guī)劃算法難度大；此外，大尺寸薄壁殼體貯箱在自重作用下的形變已對基于虛擬模型方法構(gòu)建的軌跡規(guī)劃之間引入了明顯誤差。因此，迫切需要開發(fā)一種人機交互的火箭貯箱直接示教式噴涂系統(tǒng)。

機器人直接示教系統(tǒng)對示教引導(dǎo)運動的感知方法是多樣的。以KUKA LWR為代表的協(xié)作機器人等[2,3]在每個關(guān)節(jié)配置力矩傳感器，通過外部力矩檢測算法估算出外加交互作用力，進而實現(xiàn)碰撞檢測、變剛度控制、牽引示教等功能；在機器人的末端安裝六維力傳感器[4,5]以提高機器人的力感知和力控制能力是一種最常見、最成熟的方式，廣泛地應(yīng)用于機器人牽引示教以及打磨、裝配等需要精確力控制的場景；UR和新松公司[6]為代表的機器人系統(tǒng)通過采集關(guān)節(jié)位姿信息和關(guān)節(jié)電流信息估算關(guān)節(jié)所受負載力，實現(xiàn)對引導(dǎo)示教的跟隨。除上述主流實現(xiàn)方式外，Choi M H等人[7]提出了一種安裝于末端關(guān)節(jié)的運動方向傳感器COSMO，通過傳感器內(nèi)部布局的12個微動開關(guān)，實現(xiàn)對人手交互力方向的辨識；Frigola M等人[8]研究了由硬質(zhì)包覆外殼、彈性體和力敏感元件陣列構(gòu)成的機器人皮膚，覆蓋于機器人表面，可用來檢測碰撞、粗略測量接觸力和接觸位置。

本文針對火箭貯箱噴涂機器人的特殊工況，設(shè)計了一種安裝于機器人末端關(guān)節(jié)與噴涂末端執(zhí)行器之間的示教感知器，并對感知器進行了結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)設(shè)計及力學(xué)分析，為實現(xiàn)人機交互的示教辨識與機器人運動控制提供條件。

1 直接示教運動感知器設(shè)計

1.1 感知器總體方案設(shè)計

通過對貯箱噴涂工況和需求進行分析，所設(shè)計的感知器需要可靠連接于機器人末端，通過敏感元件有效感知人的示教引導(dǎo)運動，并將其轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)方便采集和處理的電量信息。末端噴涂工具配置種類復(fù)雜、重量大，感知器需在可靠承載末端大負載的同時，不影響對人相對較小的物理交互運動的感知。

制定感知器本體的結(jié)構(gòu)和電路硬件部分的總體方案如圖1所示。與常規(guī)的十字梁彈性體結(jié)構(gòu)的六維力傳感器[9,10]設(shè)計思路不同，在綜合考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、信息融合方法、實際工況需求等多種因素后，本文研究采用分布式布局56個同質(zhì)的感知單元作為感知器的敏感元件，每個感知單元可以采集與表征感知器的局部信息，通過將所有感知單元的信息進行信息融合與綜合評定后，得到空間全局辨識信息，對人交互力的作用效果進行綜合表征。

圖1 機器人末端感知器總體設(shè)計方案

感知器的整體結(jié)構(gòu)包含中部承力剛性體部分和感知部分，在人施加于感知器的空間交互力作用下，將使感知器手持殼體相對于剛性體發(fā)生空間六軸位移(三維空間平動與三維空間轉(zhuǎn)動)，進而使得56個感知單元沿其感知主矢方向產(chǎn)生各自的響應(yīng)微位移量；為滿足緊湊的空間布局需求與實現(xiàn)感知單元的信息采集功能，感知器搭載嵌入式柔性印刷電路板(flexible printed circuit,FPC)柔性電路系統(tǒng)，可將感知單元的響應(yīng)位移信息轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)56個感知單元的信息采集與送入數(shù)據(jù)融合中心進行數(shù)據(jù)處理與分析，進而實現(xiàn)對人交互力的辨識。感知器將融合辨識信息作為機器人運動控制的重要輸入?yún)⒘浚槍Σ煌慕换ヌ卣骺刂茩C器人做出相應(yīng)的運動反饋。

1.2 感知器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

感知器整體實物外形圖如圖 2(a)所示，結(jié)構(gòu)三維爆炸圖如圖2(b)所示。感知器總體結(jié)構(gòu)呈水平面對稱、豎剖面對稱，且關(guān)于中軸線呈圓周對稱，以最大程度保證各向同性。按照自內(nèi)向外的順序，感知器中心承力結(jié)構(gòu)由剛性中軸、末端關(guān)節(jié)連接法蘭、末端執(zhí)行器連接法蘭組成；敏感元件由陣列式的感知單元組成，每個感知單元為薄膜式一維力傳感器，可將力/位移信號轉(zhuǎn)換電壓信號。根據(jù)各感知單元分布結(jié)構(gòu)特點，感知單元分別由徑向、切向和軸向的壁面固定組件進行固定與限位；FPC柔性電路系統(tǒng)經(jīng)多次折疊并緊貼安裝于剛性中軸與壁面固定組件之間，用于采集與預(yù)處理各感知單元的信息；感知器最外層為手持殼體，用于直接承載人手的引導(dǎo)示教運動并傳遞至各感知單元，同時殼體可保護與遮擋內(nèi)部器件。

圖2 感知器實物外形與結(jié)構(gòu)三維爆炸圖

1.3 感知器電路系統(tǒng)設(shè)計

研究中采用了4塊FPC，通過柔性折疊于感知器內(nèi)部實現(xiàn)對其覆蓋區(qū)域的14個感知單元進行信號采集與信號預(yù)處理，設(shè)計并定制的感知器異形FPC柔性信號采集板裝配拆解圖如圖3所示。感知器的主控板固連安裝于機器人的肩部關(guān)節(jié)，通過串口與FPC柔性采集板進行通信，將信息進行整合與處理后將信息傳輸給上位機(upper PC)的總控系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)綜合分析來自感知器的辨識信息與來自機器人的運行狀態(tài)參數(shù)，求解機器人運動控制參數(shù)進而控制機器人實現(xiàn)主動運動。

圖3 FPC柔性信號采集板裝配拆解

2 直接示教運動感知器有限元分析

2.1 感知器末端承載能力分析

由于感知器與末端執(zhí)行器和末端負載直接連接，在機器人靜止或運行的過程中，感知器的承載能力必須大于末端執(zhí)行器、末端負載在極端工況下的動態(tài)負載總和。

設(shè)機器人末端負載極限為20 kg，噴涂末端自重為10 kg，人機交互力遠小于機器人負載，故忽略不計；設(shè)極端工況下末端加速度為5 m/s2，在ANSYS中對感知器剛性體組件進行相關(guān)力學(xué)分析，得到感知器處于不同位姿及不同加速度方向時應(yīng)力和變形云圖如圖4所示。

圖4 感知器剛性中軸與連接法蘭力學(xué)分析

經(jīng)云圖分析可知，感知器中軸線與水平面平行、且末端具有徑向加速度時，感知器的負載能力最差，應(yīng)力最大區(qū)域處于剛性中軸與法蘭的連接面處，瞬間極限最大應(yīng)力為227.79 MPa，小于45鋼最小屈服強度355 MPa；此工況下最大變形量為0.23 mm，變形量也在合理范圍內(nèi)。因此，可認為感知器具有足夠的負載能力，機器人末端的負載仍主要受限于機器人本體的負載特性。

2.2 FPC疲勞可靠性分析

FPC柔性采集板在裝配時，存在多處90°彎折及一處135°彎折。由于FPC具備較強的耐重復(fù)卷曲、彎折及折疊特性，而這些彎折處一經(jīng)裝配完成則幾乎不會再發(fā)生彎折運動，因此這些彎折處其強度和疲勞特性可滿足長期使用要求。

但是在工作過程中，F(xiàn)PC會收到感知單元的交互力作用。FPC經(jīng)絕緣緩沖層與剛性中軸間接接觸，可承受較大的正向壓力。而圓周布局層下的FPC成弧面彎曲，因此，感知單元在受交互力作用時將在FPC焊盤區(qū)域產(chǎn)生一定的切向拉力。隨著感知器使用時間的延續(xù)，F(xiàn)PC將有可能在該處發(fā)生疲勞破壞。為保證FPC的長期可靠工作，需要對FPC在該工況下的疲勞壽命進行估計。

如圖5為FPC受感知單元力切向力作用的受力分析圖。其中，D為圓周布局層基圓半徑，為29 mm；L為感知單元焊接引腳尺寸，為3.7 mm；F為感知單元受力，取極限值為5 N；F′為FPC切向分力，由式(1)得計算值為0.32 N。

圖5 FPC受感知單元作用力示意

(1)

根據(jù)FPC各層材料屬性表與文獻[11]分析可知，F(xiàn)PC的覆銅層最易發(fā)生疲勞破壞。在ANSYS中構(gòu)建感知單元與FPC模型，導(dǎo)入FPC覆銅層的疲勞特性S-N曲線參數(shù)。在感知單元與FPC的焊盤連接處施加正弦函數(shù)型正半軸恒振幅載荷，配置循環(huán)測試次數(shù)為10萬次，可得到FPC疲勞應(yīng)力圖如圖6所示。

圖6 FPC疲勞應(yīng)力圖

為估計FPC的疲勞壽命，對加載力系數(shù)(加載力的仿真值與F′計算值的比值)從50 %～500 %范圍進行觀測，得到FPC疲勞壽命曲線圖如圖7所示。由圖可知，當(dāng)FPC在受感知單元切向力負載的期望預(yù)期壽命為50萬次時，加載力系數(shù)約為2，即當(dāng)某感知單元連續(xù)受50萬次10 N的交變負載時，F(xiàn)PC在該處將發(fā)生疲勞破壞，而該極端工況在實際使用過程中幾乎是不可能存在的，可推斷FPC的疲勞特性可滿足使用指標(biāo)。

圖7 FPC疲勞壽命曲線

2.3 噴涂機器人末端運動感知器基礎(chǔ)功能驗證

對感知器進行信號采集與通信實驗，結(jié)果表明感知器對所有感知單元完成采樣、并將信息傳入上位機過程的最高頻率達5 kHz，完成一次信息融合并求解交互運動辨識結(jié)果的頻率達50 Hz以上，各指標(biāo)均可滿足正常使用需求。

將感知器安裝于噴涂機器人末端關(guān)節(jié)，并連接噴涂末端模型，可見感知器的模塊化機械連接接口具備較好普適性和可靠性。對感知器進行手持舒適度測試，感知器握持與拖動方便，持握15 min內(nèi)人的疲勞感不明顯。說明感知器的人機工程學(xué)設(shè)計良好，可進行較長時間人機交互操作。

以平面關(guān)節(jié)型DH機器人為實驗載體，以5 kg質(zhì)量塊為梯度，進行了0～30 kg的機器人帶負載欠驅(qū)動拖動測試。實驗結(jié)果表明:感知器剛性部件承載末端負載的能力遠大于機器人的末端額定負載能力，且感知器對欠驅(qū)動拖動的人機物理交互信息的感知與辨識過程與末端負載大小無關(guān)，因此,本文感知器可以實現(xiàn)機器人在末端大負載的工況下進行人機交互與參數(shù)辨識。

3 結(jié)束語

1)針對火箭貯箱噴涂的實際工況需求，制定了噴涂機器人直接示教運動感知器的總體方案，進而完成了感知器本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與電路系統(tǒng)設(shè)計。

2)為保證感知器的使用性能，對感知器的末端承載能力、FPC受感知單元力作用下的疲勞可靠性進行了有限元分析。結(jié)果表明：感知器剛性組件的末端承載能力滿足使用要求，F(xiàn)PC柔性采集板的疲勞可靠性滿足使用指標(biāo)。

3)制作并搭建了感知器實物樣機，對感知器基礎(chǔ)功能參數(shù)進行了簡單實驗驗證，結(jié)果表明感知器的各項基礎(chǔ)指標(biāo)均可滿足使用要求。