基于LabVIEW的協(xié)作機器人安全檢測系統(tǒng)

靳勵行，孟繁盛，田 野，段星光

(北京理工大學機電學院，北京 100081)

0 引言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，機器人被更加廣泛地應用于工業(yè)生產中，成為我國經(jīng)濟發(fā)展的新引擎。而協(xié)作機器人以其靈活易用、安全性高的特點，正在逐步地從人機隔離的結構化工作環(huán)境走向人機交融的非結構化工作環(huán)境[1]，這意味著機器人可以與人共同工作，緊密協(xié)調，完成一些更為復雜的操作，如車身涂膠、微型零件組裝等任務[2-3]。傳統(tǒng)工業(yè)機器人危害性程度相對較高，因此在應用中會通過安全柵欄等方式將人的工作空間與機器人的工作空間隔離，以保證人的安全，而由于協(xié)作機器人工作在不確定的非結構化空間，且其會有更多的人機交互操作，故針對協(xié)作機器人的安全要求也越來越高。因此在協(xié)作機器人的設計中，更應凸顯本質安全[4-7]的重要性。目前，協(xié)作機器人已經(jīng)進入市場爆發(fā)期[8]，國內現(xiàn)有關于機器人的安全標準有GB 11291.1—2011和GB 11291.2—2013，但其針對協(xié)作機器人安全的要求、設計和測試等內容不夠完善，國際組織發(fā)布了ISO/TS 15066—2016標準[9](以下簡稱標準)，該標準對協(xié)作機器人提出了更高的要求。

標準中強調了機器人的碰撞問題。機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器人和其他部件夾在中間，此時機器人系統(tǒng)會向被夾住的人體施加持續(xù)的力；瞬態(tài)接觸也被稱作動態(tài)沖擊，僅指人體與機器人系統(tǒng)的移動部件發(fā)生撞擊，由此導致的人與機器人的短時接觸，瞬態(tài)接觸取決于機器人慣性、人體慣性以及二者之間相對運動速度。故為避免人員和機器人系統(tǒng)發(fā)生無意的物理接觸而產生危險的情況，該標準指出應該對協(xié)作機器人的功率和力進行限制[10]，因此對協(xié)作機器人進行評估需要測試其靜態(tài)和動態(tài)情況下的力、速度和功率等參數(shù)，而目前國內在機器人控制系統(tǒng)測試方面，尚處于起步階段，還無成熟的產品。

1 整體方案

本文依據(jù)ISO/TS 15066—2016標準研發(fā)了一種協(xié)作機器人碰撞力、功和功率實時檢測平臺，依據(jù)標準中提到的人與協(xié)作機器人的工作空間關系，該平臺從4個方向分別對機械臂輸出的各項參數(shù)進行測試，通過利用力傳感器和激光位移傳感器對數(shù)據(jù)進行實時測量、采集和處理，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機中進行顯示。該系統(tǒng)可以實時檢測協(xié)作機器人碰撞時的力曲線、功率曲線和功曲線，為評估協(xié)作機器人發(fā)生碰撞時是否對人體產生傷害提供依據(jù)。

2 系統(tǒng)設計

2.1 檢測平臺設計

人機協(xié)作碰撞力檢測系統(tǒng)工作臺如圖1所示，檢測系統(tǒng)可分為機械裝置與檢測平臺2部分。其中，機械裝置由工作臺、機器人固定座與測量柱組成。測量柱由立柱和撞擊模塊組成，撞擊模塊安裝在立柱的側面、正面及頂部。激光位移傳感器和動態(tài)力傳感器通過基板安裝在測量柱上，其中，激光位移傳感器安裝在基板內壁，激光測點位于承力板。撞擊模塊由轉接板、承力板、直線軸承、螺釘、碟簧裝配與基板組成，動態(tài)力傳感器安裝在轉接板與基板之間。檢測平臺包括測試平臺、測試立柱、測量模塊和數(shù)據(jù)采集器。測量模塊由承力板、導向柱、彈性元件、轉接板、力傳感器和激光位移傳感器組成；4個測量模塊分別安裝在測試立柱的側面、正面及頂部，用于檢測不同方向的碰撞；測試立柱安裝在測試平臺的臺面上；數(shù)據(jù)采集器安裝在測試平臺的機箱內，用于采集力傳感器和激光位移傳感器的信號。另外，在機械臂末端安裝了碰撞接觸面為14 mm×14 mm的檢測探針。

圖1 人機協(xié)作碰撞力檢測系統(tǒng)工作臺

2.2 基于LabVIEW的測量系統(tǒng)設計

測量系統(tǒng)包含測試軟件和測量系統(tǒng)硬件，主要完成協(xié)作機器人輸出力、位移測量以及功和功率計算。測量系統(tǒng)硬件部分主要包含動態(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。動態(tài)力傳感器量程為300 N，對應的數(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，對應的數(shù)據(jù)采集卡選用NI 9215；為方便以后擴展，平臺還搭載了數(shù)據(jù)采集卡NI 9375。為方便基本功能的編程控制以及擴展控制，控制器采用型號為cRIO-9030的嵌入式控制器，該控制器搭載了FPGA和運行NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)的實時處理器,如圖2所示。

圖2 人機協(xié)作碰撞力檢測平臺測試系統(tǒng)原理圖

測試軟件采用LabVIEW軟件進行編寫，測試軟件邏輯如圖3所示，主要包括上位機程序和下位機程序，上下位機之間通過TCP進行通訊。

圖3 人機協(xié)作碰撞力檢測平臺測試軟件邏輯圖

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

(1)通過FPGA與數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)儲存至隊列中；

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

(3)通過RT程序與上位機通信，接收控制指令并控制整個下位機運行。

上位機包含數(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、設置模塊與指令發(fā)送模塊，主程序負責對各模塊進行調度，完成如下功能：

(1)接收下位機數(shù)據(jù)；

(2)整理并顯示下位機數(shù)據(jù)；

(3)控制整個程序啟停；

(4)保存數(shù)據(jù)；

(5)回放數(shù)據(jù)。

2.3 檢測流程

測試過程中，協(xié)作機器人利用其末端的碰撞力檢測探針沿承力板的法向進行碰撞，使承力板沿導向銷釘直線運動，并向轉接板與立柱之間的動態(tài)力傳感器施加力，由力傳感器測量力的大小，同時激光位移傳感器測量承力板的直線位移，由此可得到功的計算公式：

W=FS

(1)

對其求導可得功率：

P=Fv

(2)

3 系統(tǒng)實驗驗證

3.1 砝碼標定測試

由于撞擊模塊中使用的S型力傳感器具有不對稱性，且機械構件實際安裝為非理想化，這必定會導致載荷施加在撞擊模塊承力板不同位置時測量結果的差異性[11-12]，因此需要對承力板不同位置進行誤差標定。本實驗采用M3級標準砝碼作為輸入載荷，比較不同載荷下的實際值與測量值。由于平臺設計指標中的精度要求為0.5 N，因此要求對應的砝碼質量精確度應高于該精度一個數(shù)量級，本方案中對M3及標準砝碼進行再次高精度標定，確保其質量精度誤差在0.01 g之內，從而間接保障其產生的重力精度。

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

圖4 測量點分布

圖5為不同質量的砝碼在各測試點的絕對誤差擬合曲面，由圖5可以看出，同一個砝碼在不同的測試點誤差有所波動，但各砝碼在不同測試點的測量值絕對誤差均遠小于0.5 N，故可得出結論：該設備滿足設計指標。

(a)50 g砝碼各測試點絕對誤差擬合曲面

3.2 動態(tài)碰撞模擬測試

瞬態(tài)碰撞過程的危害來自于在一定時間內通過接觸區(qū)域的能量傳遞，而能量傳遞取決于運動機器人的相對速度、有效質量和身體區(qū)域、接觸面積。本方案將對此進行研究，并將測試撞擊模塊承力板不同位置在不同載荷沖擊下的力響應曲線以及相應的速度、功率曲線，用標準砝碼模擬協(xié)作機器人動態(tài)碰撞情況。

本實驗中同樣采用圖4中所示的各測量點，分別將質量為200 g、500 g的砝碼從不同測量點的相同高度(2 cm)釋放，記錄實驗過程曲線。測試分為2組，第一組按照P0～P8順序測量，第二組從第一象限到第四象限按照A-B-C-D順序測量。圖6為測試結果。

(a)200 g砝碼P0～P8測量點“力-速度-功率”曲線

其中，速度是由位移進行微分得到，功率為速度與力的乘積，經(jīng)過多組標準砝碼重復測試，碰撞力的絕對測試精度小于0.5 N，相對測量精度為2.5% 之內，且因為摩擦力帶來的影響隨著測量力的增大而降低，相對測量精度隨測量力的增大逐步提高。撞擊模塊能夠快速準確地測出力信號及功率信號，動態(tài)響應時間短，穩(wěn)定值測量誤差小，各項指標符合設計要求。

4 結論

設計了一種協(xié)作機器人碰撞力、功和功率檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)能夠實時檢測并采集碰撞過程中的力、位移、速度、功率及功等多路信號，各分系統(tǒng)動態(tài)響應時間短，采樣頻率高，測控實時性好，碰撞力的絕對測試精度小于0.5 N，相對測量精度在2.5%之內。該系統(tǒng)為協(xié)作機器人的力和功率限制提供了參考數(shù)據(jù)，并為協(xié)作機器人與人之間的碰撞提供了有效的量化表征方法，對國內相關測試系統(tǒng)提供了借鑒經(jīng)驗。該系統(tǒng)可用于協(xié)作機器人安全檢測，為協(xié)作機器人力和功率限制提供了重要的設計依據(jù)。