李 新，陳 力，茅 晨，唐迅捷，馬 濤，張雪梅

（1.江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，江蘇 南京 210023; 2.南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引 言

根據(jù)GB/T 12642—2013《工業(yè)機(jī)器人 性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》，工業(yè)機(jī)器人檢測(cè)一共需要測(cè)試工業(yè)機(jī)器人的14項(xiàng)參數(shù)，其中的靜態(tài)柔順性是工業(yè)機(jī)器人整機(jī)性能試驗(yàn)中非常重要的一項(xiàng)。工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性是指在單位負(fù)載作用下測(cè)量工業(yè)機(jī)器人末端的最大位移，本質(zhì)上是表征了工業(yè)機(jī)器人的靜態(tài)剛度性能。在工業(yè)機(jī)器人越來越多地要進(jìn)行精細(xì)化操作、高精度作業(yè)的今天，這一性能的好壞尤為重要。

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行靜態(tài)柔順性測(cè)量時(shí)，輔助加載的作用力應(yīng)施加在平行于機(jī)座坐標(biāo)軸的三軸六個(gè)方向上，每次測(cè)量一個(gè)方向，加載力應(yīng)以10%額定負(fù)載逐步增加到100%額定負(fù)載，在該方向上測(cè)量相應(yīng)的位移[1]。然而，在實(shí)際的測(cè)試過程中，工業(yè)機(jī)器人的靜態(tài)柔順性測(cè)試存在難以實(shí)施的問題[2]。問題的關(guān)鍵是缺乏合適的力加載裝置。這一問題導(dǎo)致該項(xiàng)參數(shù)在測(cè)試過程中一般都被放棄測(cè)量的現(xiàn)狀，造成工業(yè)機(jī)器人的該項(xiàng)性能并不能正確反映出來。

為了解決這一問題，很多研究者已經(jīng)給出了一些解決方案。徐晗等[3]提出了一種負(fù)載供給裝置，其功能就是給工業(yè)機(jī)器人末端施加作用力，使其拉力值與測(cè)試所需的負(fù)載大小一致。吳建紅等[4]提出了一種機(jī)器人柔順性測(cè)試裝置，該發(fā)明只是設(shè)計(jì)了一個(gè)利用滑輪進(jìn)行拉力轉(zhuǎn)向的機(jī)械裝置，作用力的加載是需要手動(dòng)加載，不具備自動(dòng)加載的能力。劉毅等[5]提出一種導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)力的加載，其具有一個(gè)立方框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)含多套滑輪組來調(diào)節(jié)拉繩的方向。李峰等[6]提出了一種也是使用砝碼進(jìn)行力加載的十字形結(jié)構(gòu)的工裝。李小兵等[7]提出了應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的靜態(tài)柔順性能測(cè)試裝置，其中作用力的加載裝置是由加載方向調(diào)節(jié)組件和加載力調(diào)節(jié)組件組成，在位移測(cè)量上是使用激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量。朱敏杰[8]在基于激光跟蹤儀的工業(yè)機(jī)器人性能測(cè)試研究中進(jìn)行了三個(gè)方向的靜態(tài)柔順性測(cè)試，也是使用滑輪機(jī)構(gòu)和砝碼進(jìn)行作用力的施加。對(duì)上述各種方案進(jìn)行分析后，可以發(fā)現(xiàn)都是在被測(cè)工業(yè)機(jī)器人外圍采用滑輪機(jī)構(gòu)和拉繩來進(jìn)行作用力的施加，這里存在兩點(diǎn)不足：1）裝置普遍體積較大，操作不便；2）在變換測(cè)試方向時(shí)，需要重新安裝或重新調(diào)整，測(cè)試效率很低。

綜上所述，目前還沒有一種體積小巧、操作高效的輔助加載裝置用于工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性的測(cè)量。為解決這一問題，本文研制了一種新型的基于三維力傳感器的工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性輔助加載裝置，可以滿足靜態(tài)柔順性測(cè)量的需求。

1 工作原理及組成

根據(jù)國標(biāo)中對(duì)于靜態(tài)柔順性測(cè)量的要求，該測(cè)量基本上可以描述為：在工業(yè)機(jī)器人末端的平行于機(jī)座坐標(biāo)系的6個(gè)方向上分別施加額定負(fù)載范圍內(nèi)的作用力，如圖1所示，在施加作用力的同時(shí)測(cè)量工業(yè)機(jī)器人末端的空間位移。

圖1 工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量加載方向示意圖

要解決這個(gè)測(cè)量問題，可以分為兩個(gè)步驟：第1步，在工業(yè)機(jī)器人的末端施加符合要求的標(biāo)準(zhǔn)作用力；第2步，測(cè)量工業(yè)機(jī)器人末端的空間位移。其中，第2步是利用常規(guī)測(cè)量儀器就可以實(shí)現(xiàn)的，例如利用激光跟蹤儀就可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)空間位移量進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量[9]。用激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量的原理如圖2所示。

圖2 工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量原理圖

因此，當(dāng)前的關(guān)鍵問題就是研制一臺(tái)可以給工業(yè)機(jī)器人末端在平行于機(jī)座坐標(biāo)系的6個(gè)方向上分別施加標(biāo)準(zhǔn)作用力的輔助加載裝置。按照這個(gè)思路，本文創(chuàng)新地提出使用推力作為作用力的解決方案，該方案是一種基于三維力傳感器的作用力加載裝置。其工作原理為：在工業(yè)機(jī)器人末端安裝一個(gè)球籠機(jī)構(gòu)，再由一個(gè)三維電控滑臺(tái)控制一個(gè)球桿，該球桿的工作部分（即：球頭）在球籠的內(nèi)部與球籠的內(nèi)壁接觸，這樣就可以對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端以“推力”的方式施加不同方向的作用力，而這個(gè)球桿的作用力又通過移動(dòng)平臺(tái)上的三維力傳感器反饋給控制系統(tǒng)，從而保證了施加作用力的大小準(zhǔn)確可靠。

該裝置的具體結(jié)構(gòu)由機(jī)械接口、傳感器組件、三軸電控滑臺(tái)機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)四部分組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括連接被測(cè)工業(yè)機(jī)器人末端的球籠和安裝在加載裝置上的球桿；傳感器組件包括連接固定的三維力傳感器和傳感器底座；傳感器底座連接三軸電控滑臺(tái)機(jī)構(gòu)；電控系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)按照軟件設(shè)定工作。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性輔助加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置的工作狀態(tài)示意圖如圖4所示。再將激光跟蹤儀的反射靶球固定在工業(yè)機(jī)器人的末端，就可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性的測(cè)量。

圖4 工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性輔助加載裝置工作狀態(tài)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維力傳感器的選擇

如果采用單維力傳感器分布在滑臺(tái)機(jī)構(gòu)不同的軸上，那么會(huì)因?yàn)榉植嘉恢玫牟煌肓氐挠绊?，?dǎo)致測(cè)量力值不準(zhǔn)確[10]。而三維力傳感器可以在作用點(diǎn)不變的情況下測(cè)量三維的作用力，即測(cè)量6個(gè)方向的作用力，這樣就可以避免上述問題的產(chǎn)生。輔助加載裝置的設(shè)計(jì)只是用到了三維力傳感器的單向測(cè)量精度，使用時(shí)只需要測(cè)量單軸的力值，并不需要測(cè)量維間耦合輸出的其他軸的力值，所以在選擇傳感器時(shí)，只需要考察其單軸的精度即可。

本文選定的檢測(cè)對(duì)象是額定負(fù)載為20 kg的工業(yè)機(jī)器人，所以研制的輔助加載裝置的技術(shù)要求如下，量程范圍應(yīng)為：0～200 N，作用力的最大示值誤差應(yīng)為：≤±1%，也就是≤2 N。為了確保所施加作用力的準(zhǔn)確性，根據(jù)計(jì)量學(xué)中“校準(zhǔn)儀器的準(zhǔn)確度要達(dá)到被校對(duì)象的準(zhǔn)確度的1/3～1/10”的原則，對(duì)裝置中所使用的三維力傳感器的技術(shù)要求便可確定為：直線度絕對(duì)值：≤±0.3%（力值傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度使用直線度表示）[11]。在裝置研制的過程中，需要對(duì)所選擇三維力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以判斷其是否符合技術(shù)要求。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)使用測(cè)量范圍為：10 N～1 kN、精度等級(jí)為：0.01級(jí)的全自動(dòng)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對(duì)定制的三維力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 三維力傳感器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

根據(jù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)得到的傳感器不同方向上的數(shù)據(jù)計(jì)算三維力傳感器各個(gè)方向上的直線度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 三維力傳感器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，各方向正負(fù)行程中直線度絕對(duì)值最大為0.16%，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求的±0.3%，因此，該三維力傳感器可以應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量輔助加載裝置。

2.2 機(jī)械接口的設(shè)計(jì)

在國標(biāo)中，靜態(tài)柔順性測(cè)量要求作用力應(yīng)施加在平行于機(jī)座坐標(biāo)軸方向上，且要有正負(fù)兩個(gè)方向，這種要求對(duì)作用力接觸的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了較高的要求，所以加載裝置與工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械接口的設(shè)計(jì)也成為了一個(gè)關(guān)鍵問題。

本文提出了一個(gè)球籠結(jié)構(gòu)的機(jī)械接口，包括接觸球罩、接觸球罩過渡件、兩個(gè)拉力卡板、接觸球桿和接觸球桿過渡件5個(gè)部分，如圖6所示。接觸球罩過渡件的作用是保證工業(yè)機(jī)器人末端和接觸球罩可以緊固連接。同樣，接觸球桿過渡件的作用是保證接觸球桿和三維力傳感器可以緊固連接。接觸球罩和兩個(gè)拉力卡板合圍成了一個(gè)類似球籠的結(jié)構(gòu)，將接觸球桿的球頭包裹在里面。在不拆除拉力卡板的情況下，球頭無法脫離。接觸球罩的內(nèi)腔包括內(nèi)腔半球面和內(nèi)腔圓柱面結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)可以確保施加作用力的方向正確，如圖7所示。

圖6 機(jī)械接口爆炸圖

圖7 機(jī)械接口剖面圖

該機(jī)械接口在初始狀態(tài)下是非接觸的，作用力為零。在給被測(cè)工業(yè)機(jī)器人施加水平4個(gè)方向的作用力時(shí)，接觸球桿的球頭與接觸球罩內(nèi)腔圓柱面分別在X+、X–、Y+、Y–4個(gè)方向上接觸，這樣便可以完成對(duì)被測(cè)工業(yè)機(jī)器人在4個(gè)方向上施加作用力。在給被測(cè)工業(yè)機(jī)器人施加數(shù)值向上的作用力時(shí)，接觸球桿與接觸球罩內(nèi)腔半球面在Z+方向上接觸，這樣便可以完成對(duì)被測(cè)工業(yè)機(jī)器人施加向上頂?shù)淖饔昧Α．?dāng)需要施加Z–方向作用力時(shí)，接觸球桿向Z–方向移動(dòng)，球桿的球頭下部會(huì)壓在兩個(gè)拉力卡板上，這樣便對(duì)被測(cè)工業(yè)機(jī)器人施加了Z–方向的作用力。以此實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)工業(yè)機(jī)器人末端6個(gè)方向的作用力的施加。另外，這種設(shè)計(jì)可以在測(cè)量時(shí)快速轉(zhuǎn)換測(cè)量方向，不需要再對(duì)整個(gè)測(cè)量裝置進(jìn)行重新設(shè)置，極大地提高了測(cè)量效率。

2.3 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套減速機(jī)構(gòu)，可以有效實(shí)現(xiàn)裝置的傳動(dòng)。該減速機(jī)構(gòu)是一套三級(jí)減速機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)減速之后傳遞給傳動(dòng)絲杠，從而帶動(dòng)各軸滑臺(tái)移動(dòng)。三級(jí)減速分別為：一級(jí)齒輪減速機(jī)；二級(jí)同步帶減速機(jī)；三級(jí)蝸輪蝸桿減速機(jī)。減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖8所示。壓緊彈簧和轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用是確保三級(jí)蝸輪蝸桿減速機(jī)的蝸桿始終壓緊在蝸輪上，從而可以有效地避免齒間間隙造成的傳遞誤差，保證了作用力的平穩(wěn)傳遞。

圖8 減速機(jī)構(gòu)示意圖

2.4 控制邏輯的設(shè)計(jì)

根據(jù)國標(biāo)中的要求，“力應(yīng)以10%額定負(fù)載逐步增加到100%額定負(fù)載”，所以工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量輔助加載裝置需要能夠在輸出范圍內(nèi)對(duì)輸出的標(biāo)準(zhǔn)力進(jìn)行設(shè)置，并自動(dòng)進(jìn)行力的加載。本文采用的控制原理是經(jīng)典的反饋控制，如圖9所示。在工作的初始狀態(tài)，接觸球桿不與球籠結(jié)構(gòu)接觸，作用力為0 N。工作狀態(tài)下，在某一方向設(shè)定好需要施加的作用力，電控系統(tǒng)的控制器會(huì)控制相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制滑臺(tái)移動(dòng)，這樣接觸球桿便會(huì)在相應(yīng)方向上與球籠機(jī)構(gòu)接觸，產(chǎn)生作用力，該作用力的大小可以由三維力傳感器反饋給電控系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)傳感器反饋的作用力值小于設(shè)定力值時(shí)，電控系統(tǒng)繼續(xù)控制滑臺(tái)移動(dòng)，作用力則會(huì)繼續(xù)增大；當(dāng)傳感器反饋的作用力值與設(shè)定的力值相等時(shí)，電控系統(tǒng)控制滑臺(tái)停止移動(dòng)，作用力會(huì)保持；當(dāng)傳感器反饋的作用力值大于設(shè)定力值時(shí)，電控系統(tǒng)會(huì)反向控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，不斷減小作用力，直至作用力值與設(shè)定力值相等。

圖9 輔助加載裝置的反饋控制方框圖

3 裝置的標(biāo)定和應(yīng)用

3.1 裝置的標(biāo)定

根據(jù)上述工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，將本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量輔助加載裝置實(shí)現(xiàn)，如圖10所示，由運(yùn)動(dòng)工作主體和電控箱兩部分組成。

圖10 工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量輔助加載裝置

裝置完成后，需要對(duì)裝置整體進(jìn)行標(biāo)定，以確保裝置輸出作用力的準(zhǔn)確。因此，設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)標(biāo)定架，通過標(biāo)準(zhǔn)增砣砝碼來對(duì)裝置的6個(gè)方向進(jìn)行標(biāo)定[12]。標(biāo)定架定的滑輪機(jī)構(gòu)為可調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，這樣就可以避免在標(biāo)定方向上的幾何誤差。利用標(biāo)尺和角度尺來調(diào)節(jié)定滑輪位置，從而調(diào)整了拉繩的方向，確保砝碼施加的拉力方向與裝置的XYZ軸方向一致。標(biāo)定現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 裝置標(biāo)定現(xiàn)場

標(biāo)定完成后，對(duì)所研制裝置的各個(gè)軸進(jìn)行力的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2、表3、表4所示。

表2 Z方向測(cè)量值 N

表3 Y方向測(cè)量值 N

表4 X方向測(cè)量值 N

從測(cè)量結(jié)果可以計(jì)算得出，所研制的輔助加載裝置的最大示值誤差絕對(duì)值為：0.7%，該結(jié)果滿足設(shè)計(jì)時(shí)提出的優(yōu)于±1%的要求。

3.2 裝置的應(yīng)用

對(duì)于靜態(tài)柔順性較好的工業(yè)機(jī)器人，在末端施加標(biāo)準(zhǔn)的作用力后，末端位移量應(yīng)該較小且應(yīng)基本呈現(xiàn)線性變化。將本文研制的輔助加載裝置應(yīng)用于庫卡KR10R1420型工業(yè)機(jī)器人的靜態(tài)柔順性測(cè)量。該機(jī)器人的額定負(fù)載為10 kg，約為98 N。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，使用所研制的輔助加載裝置給該工業(yè)機(jī)器人末端的作用力從10 N逐步加載到98 N，由于該型號(hào)工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性較好，所以當(dāng)作用力逐步加載后，末端位移量的變化應(yīng)表現(xiàn)為線性變化，即末端位移量數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線度較小。利用激光跟蹤儀測(cè)量被測(cè)工業(yè)機(jī)器人末端的位移量[13]，如圖12所示，工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量結(jié)果如表5所示，數(shù)據(jù)為6個(gè)方向在不同大小作用力下的位移量。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可以得到，在額定負(fù)載范圍內(nèi)，6個(gè)方向施加作用力后，工業(yè)機(jī)器人末端的位移是線性變化，直線度分別為：X正方向2.90%；X負(fù)方向4.78%；Y正方向1.96%；Y負(fù)方向3.23%；Z正方向3.84%；Z負(fù)方向3.62%，直線度均在5%以下，與預(yù)期結(jié)果一致。

圖12 輔助加載裝置應(yīng)用現(xiàn)場

表5 工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性難以測(cè)量的問題進(jìn)行了分析，得出了目前的測(cè)量難點(diǎn)在于缺乏合適的輔助加載裝置。根據(jù)這一難點(diǎn)，本文提出了一種基于三維力傳感器的工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性測(cè)量輔助加載裝置。該裝置與其他方案相比，具有體積小巧、工作效率高的特點(diǎn)，而基于三維力傳感器的反饋系統(tǒng)也確保了輸出作用力的準(zhǔn)確性。通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用試驗(yàn)，既驗(yàn)證了該輔助加載裝置示值誤差滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，同時(shí)也驗(yàn)證了該加載裝置在測(cè)量工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性時(shí)的有效性。本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人靜態(tài)柔順性的測(cè)量方法研究具有一定的參考意義。