付 興, 李 月, 徐海波, 陳 磊, 王黎光

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

0 引 言

運(yùn)載火箭通常配置有多組貯存推進(jìn)劑燃料的貯箱，直徑約2～3 m，長(zhǎng)度約5～12 m?；鸺A箱外壁面需要進(jìn)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(shí)，各噴涂工藝環(huán)節(jié)對(duì)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(dòng)工作強(qiáng)度大、污染重、自動(dòng)化程度低、噴涂效率低；機(jī)器人示教盒示教方法人機(jī)不友好，操作費(fèi)事費(fèi)力[1]；大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)器人自動(dòng)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(duì)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(jī)交互的火箭貯箱直接示教式噴涂系統(tǒng)。

機(jī)器人直接示教系統(tǒng)對(duì)示教引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的感知方法是多樣的。以KUKA LWR為代表的協(xié)作機(jī)器人等[2,3]在每個(gè)關(guān)節(jié)配置力矩傳感器，通過(guò)外部力矩檢測(cè)算法估算出外加交互作用力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、變剛度控制、牽引示教等功能；在機(jī)器人的末端安裝六維力傳感器[4,5]以提高機(jī)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(jī)器人牽引示教以及打磨、裝配等需要精確力控制的場(chǎng)景；UR和新松公司[6]為代表的機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)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(fù)載力，實(shí)現(xiàn)對(duì)引導(dǎo)示教的跟隨。除上述主流實(shí)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(yùn)動(dòng)方向傳感器COSMO，通過(guò)傳感器內(nèi)部布局的12個(gè)微動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人手交互力方向的辨識(shí)；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(jī)器人皮膚，覆蓋于機(jī)器人表面，可用來(lái)檢測(cè)碰撞、粗略測(cè)量接觸力和接觸位置。

本文針對(duì)火箭貯箱噴涂機(jī)器人的特殊工況，設(shè)計(jì)了一種安裝于機(jī)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(duì)感知器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析，為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的示教辨識(shí)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制提供條件。

1 直接示教運(yùn)動(dòng)感知器設(shè)計(jì)

1.1 感知器總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)貯箱噴涂工況和需求進(jìn)行分析，所設(shè)計(jì)的感知器需要可靠連接于機(jī)器人末端，通過(guò)敏感元件有效感知人的示教引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，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(fù)載的同時(shí)，不影響對(duì)人相對(duì)較小的物理交互運(yùn)動(dòng)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(jì)思路不同，在綜合考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、信息融合方法、實(shí)際工況需求等多種因素后，本文研究采用分布式布局56個(gè)同質(zhì)的感知單元作為感知器的敏感元件，每個(gè)感知單元可以采集與表征感知器的局部信息，通過(guò)將所有感知單元的信息進(jìn)行信息融合與綜合評(píng)定后，得到空間全局辨識(shí)信息，對(duì)人交互力的作用效果進(jìn)行綜合表征。

圖1 機(jī)器人末端感知器總體設(shè)計(jì)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(duì)于剛性體發(fā)生空間六軸位移(三維空間平動(dòng)與三維空間轉(zhuǎn)動(dòng))，進(jìn)而使得56個(gè)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(shí)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(hào)，實(shí)現(xiàn)56個(gè)感知單元的信息采集與送入數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)人交互力的辨識(shí)。感知器將融合辨識(shí)信息作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的重要輸入?yún)⒘?，針?duì)不同的交互特征控制機(jī)器人做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)反饋。

1.2 感知器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

感知器整體實(shí)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(duì)稱、豎剖面對(duì)稱，且關(guān)于中軸線呈圓周對(duì)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(gè)感知單元為薄膜式一維力傳感器，可將力/位移信號(hào)轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)。根據(jù)各感知單元分布結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，感知單元分別由徑向、切向和軸向的壁面固定組件進(jìn)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(yùn)動(dòng)并傳遞至各感知單元，同時(shí)殼體可保護(hù)與遮擋內(nèi)部器件。

圖2 感知器實(shí)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(jì)

研究中采用了4塊FPC，通過(guò)柔性折疊于感知器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)其覆蓋區(qū)域的14個(gè)感知單元進(jìn)行信號(hào)采集與信號(hào)預(yù)處理，設(shè)計(jì)并定制的感知器異形FPC柔性信號(hào)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(jī)器人的肩部關(guān)節(jié)，通過(guò)串口與FPC柔性采集板進(jìn)行通信，將信息進(jìn)行整合與處理后將信息傳輸給上位機(jī)(upper PC)的總控系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)綜合分析來(lái)自感知器的辨識(shí)信息與來(lái)自機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)進(jìn)而控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖3 FPC柔性信號(hào)采集板裝配拆解

2 直接示教運(yùn)動(dòng)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(fù)載直接連接，在機(jī)器人靜止或運(yùn)行的過(guò)程中，感知器的承載能力必須大于末端執(zhí)行器、末端負(fù)載在極端工況下的動(dòng)態(tài)負(fù)載總和。

設(shè)機(jī)器人末端負(fù)載極限為20 kg，噴涂末端自重為10 kg，人機(jī)交互力遠(yuǎn)小于機(jī)器人負(fù)載，故忽略不計(jì)；設(shè)極端工況下末端加速度為5 m/s2，在ANSYS中對(duì)感知器剛性體組件進(jìn)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(shí)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(shí)，感知器的負(fù)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(qiáng)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(rèn)為感知器具有足夠的負(fù)載能力，機(jī)器人末端的負(fù)載仍主要受限于機(jī)器人本體的負(fù)載特性。

2.2 FPC疲勞可靠性分析

FPC柔性采集板在裝配時(shí)，存在多處90°彎折及一處135°彎折。由于FPC具備較強(qiáng)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(huì)再發(fā)生彎折運(yùn)動(dòng)，因此這些彎折處其強(qiáng)度和疲勞特性可滿足長(zhǎng)期使用要求。

但是在工作過(guò)程中，F(xiàn)PC會(huì)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(shí)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(shí)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(zhǎng)期可靠工作，需要對(duì)FPC在該工況下的疲勞壽命進(jìn)行估計(jì)。

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(jì)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(xiàn)[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(cè)試次數(shù)為10萬(wàn)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(jì)FPC的疲勞壽命，對(duì)加載力系數(shù)(加載力的仿真值與F′計(jì)算值的比值)從50 %～500 %范圍進(jìn)行觀測(cè)，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(fù)載的期望預(yù)期壽命為50萬(wàn)次時(shí)，加載力系數(shù)約為2，即當(dāng)某感知單元連續(xù)受50萬(wàn)次10 N的交變負(fù)載時(shí)，F(xiàn)PC在該處將發(fā)生疲勞破壞，而該極端工況在實(shí)際使用過(guò)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(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)感知器基礎(chǔ)功能驗(yàn)證

對(duì)感知器進(jìn)行信號(hào)采集與通信實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明感知器對(duì)所有感知單元完成采樣、并將信息傳入上位機(jī)過(guò)程的最高頻率達(dá)5 kHz，完成一次信息融合并求解交互運(yùn)動(dòng)辨識(shí)結(jié)果的頻率達(dá)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(jī)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(jī)械連接接口具備較好普適性和可靠性。對(duì)感知器進(jìn)行手持舒適度測(cè)試，感知器握持與拖動(dòng)方便，持握15 min內(nèi)人的疲勞感不明顯。說(shuō)明感知器的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)良好，可進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間人機(jī)交互操作。

以平面關(guān)節(jié)型DH機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)載體，以5 kg質(zhì)量塊為梯度，進(jìn)行了0～30 kg的機(jī)器人帶負(fù)載欠驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:感知器剛性部件承載末端負(fù)載的能力遠(yuǎn)大于機(jī)器人的末端額定負(fù)載能力，且感知器對(duì)欠驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)的人機(jī)物理交互信息的感知與辨識(shí)過(guò)程與末端負(fù)載大小無(wú)關(guān)，因此,本文感知器可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在末端大負(fù)載的工況下進(jìn)行人機(jī)交互與參數(shù)辨識(shí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)針對(duì)火箭貯箱噴涂的實(shí)際工況需求，制定了噴涂機(jī)器人直接示教運(yùn)動(dòng)感知器的總體方案，進(jìn)而完成了感知器本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2)為保證感知器的使用性能，對(duì)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(jìn)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(shí)物樣機(jī)，對(duì)感知器基礎(chǔ)功能參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明感知器的各項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)均可滿足使用要求。