工業(yè)機器人關(guān)節(jié)復(fù)合力測量實驗裝置設(shè)計及其教學(xué)應(yīng)用

羅少軒　喬愛民　王艷春

【摘? ?要】? ?自主研制了一種工業(yè)機器人關(guān)節(jié)復(fù)合力測量實驗裝置。該實驗裝置包括復(fù)合力傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機軟件，能夠直觀地實時測量多個軸向的復(fù)合力載荷；可以服務(wù)于多個實驗項目，幫助學(xué)生更深入直觀地理解工業(yè)機器人的工作原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣；能夠用于機器人工程等專業(yè)學(xué)生的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計課題研究，作為機器人相關(guān)學(xué)科專業(yè)競賽的輔助訓(xùn)練設(shè)備，鍛煉學(xué)生的實踐動手能力，提升實踐類課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】? ?工業(yè)機器人；復(fù)合力測量；實驗裝置；教學(xué)研究

Design of Experimental Device for Measuring Compound Force of Industrial Robot Joint and Its Teaching Application

Luo Shaoxuan， Qiao Aimin， Wang Yanchun

（Bengbu University， Bengbu 233000， China）

【Abstract】? ? In this paper， an experimental device for measuring the compound force of industrial robot joints is independently developed. The experimental device includes compound force sensor， data collector and computer software， which can intuitively measure multiple axial compound force loads in real time. This experimental device can serve several experimental projects， help students understand the working principle of industrial robot more deeply and intuitively， and stimulate students' interest in learning. It can also be used for course design and graduation project research of students majoring in robot engineering， as well as to assist robot competition training， enhance students' practical ability and improve the teaching quality and teaching effect of practical courses.

【Key words】? ? ?industrial robot; composite force measurement; experimental device; teaching research

〔中圖分類號〕? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）02- 0108 - 04

0? ? ? 引言

工業(yè)機器人目前廣泛應(yīng)用于各類自動化生產(chǎn)設(shè)備，其工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機制是機器人工程專業(yè)學(xué)生需掌握的重要內(nèi)容［1-2］。其中很多知識點比較抽象，特別是對于工業(yè)機器人路徑規(guī)劃和控制過程中，需要注意執(zhí)行機構(gòu)是否超負荷運行，包括沿各軸向的拉壓力和扭矩都應(yīng)該保持在合理范圍之內(nèi)，否則有可能損壞機器人［3-4］。然而這些知識點是學(xué)生難以觀測和理解的問題，雖然教師反復(fù)強調(diào)，但由于缺乏相關(guān)實驗教學(xué)設(shè)備，學(xué)生課后往往是一知半解，操作時經(jīng)常犯類似錯誤。

為了解決上述問題，急需引入相關(guān)實驗教學(xué)設(shè)備，然而市場上與工業(yè)機器人相關(guān)的實驗教學(xué)設(shè)備往往價格昂貴，而且缺乏針對性，不能完全滿足實驗教學(xué)的需要［5-7］。因此，課程組教師結(jié)合實踐教學(xué)經(jīng)驗，深入研究，自主研制了一種工業(yè)機器人關(guān)節(jié)復(fù)合力測量實驗裝置。該實驗裝置包括復(fù)合力傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機軟件，能夠直觀地實時觀測多個坐標軸的復(fù)合力載荷。該實驗裝置可以服務(wù)于機器人傳感技術(shù)、機器人動力學(xué)與控制、工業(yè)機器人系統(tǒng)集成等課程的多個實驗項目，幫助學(xué)生更深入直觀地理解工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的工作原理。

自主研發(fā)實驗裝置，不僅能夠豐富課程的實驗項目，而且更加有針對性［8］；還能對裝置中的相關(guān)功能進行擴展，作為課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計的課題研究內(nèi)容；另外，還可以作為機器人相關(guān)學(xué)科專業(yè)競賽的輔助訓(xùn)練設(shè)備，有助于提高競賽成績。這些都為機器人工程專業(yè)的實驗教學(xué)研究提供了新的思路。

1? ? ?實驗裝置的組成及工作原理

本次研制的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)復(fù)合力測量實驗裝置主要包括復(fù)合力傳感器、信號處理變送器和計算機軟件三部分。設(shè)計過程中，首先需要對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的力學(xué)模型、復(fù)合力耦合機制、多軸力檢測和解耦方法進行研究，通過力學(xué)方法建立機器人關(guān)節(jié)部位的復(fù)合力檢測模型，并利用有限元方法對模型進行分析和優(yōu)化。然后利用大量的數(shù)據(jù)樣本建立各方向分力和力矩的數(shù)學(xué)模型，并對分力和力矩間的相互影響進行特征提取，構(gòu)造出復(fù)合力的解耦矩陣，從而實現(xiàn)對機器人關(guān)節(jié)復(fù)合力實時準確的動態(tài)檢測。本次自主設(shè)計的復(fù)合力傳感器如圖1所示。

機器人關(guān)節(jié)復(fù)合力檢測一個難點是機器人關(guān)節(jié)在工作時經(jīng)常會連續(xù)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間不能用線纜連接，否則線纜會往一個方向卷繞而繃斷。本次設(shè)計中，采用動變壓器耦合供電的方式，將動變壓器的初級線圈固定在檢測裝置的外殼上，外殼在工作時始終固定不動；動變壓器的次級線圈固定在檢測裝置內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)軸電路板上，此電路板與傳感器的旋轉(zhuǎn)軸固定在一起，工作時隨旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。傳感器內(nèi)部的信號傳輸采用光電耦合方式，紅外光電發(fā)射電路、傳感器的信號調(diào)理放大電路、電壓—頻率信號轉(zhuǎn)換電路都安裝在檢測裝置的旋轉(zhuǎn)軸電路板上，工作時隨旋轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，自主設(shè)計的復(fù)合力傳感器工作原理如圖2所示。

本次設(shè)計中，復(fù)合力傳感器的旋轉(zhuǎn)軸上分別設(shè)計了用于檢測扭矩和拉壓力的應(yīng)變區(qū)，其中扭矩應(yīng)變區(qū)采用圓柱式結(jié)構(gòu)，拉壓力應(yīng)變區(qū)采用輪輻式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。動變壓器的次級線圈、扭矩應(yīng)變區(qū)、拉壓力應(yīng)變區(qū)和信號處理發(fā)射電路板都固定在旋轉(zhuǎn)軸上，工作時和機器人的關(guān)節(jié)一起旋轉(zhuǎn)；動變壓器初級線圈和信號接收電路板是固定在傳感器外殼上，工作時始終是保持不動的。這樣外部供電線纜和信號傳輸電纜就可以通過傳感器外殼上的航空插頭接入。

復(fù)合力傳感器安裝在工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動軸和從動軸之間，傳感器的旋轉(zhuǎn)軸通過兩個聯(lián)軸器與驅(qū)動軸和從動軸剛性連接。機器人的驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)時，會帶動傳感器的旋轉(zhuǎn)軸、從動軸旋轉(zhuǎn)，而傳感器的外殼則是固定不動的，因此通過外殼接入的供電線纜和信號傳輸線纜也是不會旋轉(zhuǎn)的。傳感器輸出的是電壓信號，因此還需要通過信號變送器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后輸送到計算機的上位機軟件中進行數(shù)據(jù)處理，傳感器的安裝方式和信號處理流程如圖4所示。

2? ? ?實驗裝置的數(shù)據(jù)處理

本次設(shè)計的復(fù)合力傳感器的旋轉(zhuǎn)軸上同時存在扭矩應(yīng)變區(qū)和拉力應(yīng)變區(qū)，這兩個應(yīng)變區(qū)并不是完全獨立的，因此在外部載荷的作用下，兩個應(yīng)變區(qū)的輸出信號會相互影響。比如，機器人末端受到單純的扭力載荷時，不僅扭矩應(yīng)變區(qū)會輸出信號，同時拉力應(yīng)變區(qū)也會輸出一個很微弱的信號；同樣的，機器人末端受到單純的拉力載荷時，拉力應(yīng)變區(qū)會輸出信號，同時扭矩應(yīng)變區(qū)也會輸出一個很微弱的信號。這種現(xiàn)象就是復(fù)合力之間的耦合效應(yīng)，無法完全避免，但是應(yīng)該盡量減小這種影響，否則檢測精度就會明顯降低。

上述耦合效應(yīng)無法通過結(jié)構(gòu)設(shè)計完全消除，因此本次設(shè)計的實驗裝置在上位機軟件中設(shè)置了解耦矩陣，利用軟件算法來減小耦合效應(yīng)對測量精度的影響，這種方法實現(xiàn)成本低，實際效果也較好。

設(shè)未經(jīng)解耦的復(fù)合力傳感器初始耦合矩陣如圖5所示。

圖5中，[M]表示扭矩，[F]表示拉壓力，[UM]表示傳感器扭矩信號輸出電壓，[UF]表示傳感器拉壓力信號輸出電壓，[CMM]表示傳感器受到扭力作用時，扭力對扭矩信號輸出電壓[UM]的影響系數(shù)，[CFM]表示傳感器受到扭力作用時，扭力對拉壓力信號輸出電壓[UF]的影響系數(shù)，[CFF]表示傳感器受到拉壓力作用時，拉壓力對拉壓力信號輸出電壓[UF]的影響系數(shù)，[CMF]表示傳感器受到拉壓力作用時，拉壓力對扭矩信號輸出電壓[UM]的影響系數(shù)。傳感器的輸出電壓和復(fù)合力載荷之間的關(guān)系可以用公式（1）表示。

為了得到矩陣中的影響系數(shù)，需要進行實驗分析。實驗過程中，在傳感器的軸末端單獨加載扭力和單獨加載拉力，重復(fù)多次，然后求出輸出電壓的平均值，從而得到 4個系數(shù)的值，然后再對公式（1）求逆矩陣就可以得到傳感器的解耦矩陣，如公式（2）所示。

本次設(shè)計中，上位機軟件采用Labview編寫，主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)處理、實時顯示測量值、曲線擬合、設(shè)置結(jié)構(gòu)矩陣參數(shù)、傳感器校準、傳感器去皮、測量數(shù)據(jù)存儲等。上位機軟件主界面如圖6所示。

本次設(shè)計的實驗裝置主要用于實驗教學(xué)，對傳感器結(jié)構(gòu)、溫度補償、數(shù)據(jù)處理、算法解耦等細節(jié)都做了相應(yīng)處理，實驗裝置能達到的測量參數(shù)指標如表1所示。

3? ? ?實驗教學(xué)應(yīng)用

教育部提倡各本科高校積極自主研發(fā)適用的實驗教學(xué)設(shè)備［9-10］，本次自主研制的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)復(fù)合力測量實驗裝置對于機器人工程專業(yè)、電氣自動化專業(yè)的實驗教學(xué)研究及改革具有重要意義。不僅能夠彌補當前實驗教學(xué)過程中實驗設(shè)備的不足，而且還能將教師科研項目中的成果反哺教學(xué)，促進教學(xué)和科研工作的全面發(fā)展。

課程組教師利用此次研制的實驗裝置，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗和課程實際，開發(fā)了5個全新的實驗項目，可用于機器人工程專業(yè)和電氣自動化專業(yè)的三門專業(yè)基礎(chǔ)課實驗教學(xué)，如表2所示。

工業(yè)機器人關(guān)節(jié)復(fù)合力測量實驗裝置的教學(xué)應(yīng)用，達到了如下教學(xué)效果。

（1）豐富了數(shù)門專業(yè)基礎(chǔ)課的實驗教學(xué)內(nèi)容，能讓學(xué)生更直觀地了解工業(yè)機器人的工作原理和運行機制，特別是理解工業(yè)機器人實際工況中應(yīng)注意的多軸向載荷限制，強化了學(xué)生的工程化意識。

（2）使學(xué)生了解工業(yè)機器人上所使用的傳感器的開發(fā)設(shè)計方法，引導(dǎo)學(xué)生舉一反三，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣和求知欲，探索更多其他工業(yè)機器人傳感器的設(shè)計和使用方法，鍛煉學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

（3）由于實驗裝置是自主研發(fā)的，因此硬件、軟件都是完全自主知識產(chǎn)權(quán)，可以根據(jù)需要隨時修改。也可作為機器人學(xué)科專業(yè)競賽的輔助訓(xùn)練設(shè)備和暑期小學(xué)期實踐課的開源學(xué)習設(shè)備。

（4）在實驗裝置的研發(fā)過程中，課程組教師有意識地吸納了部分優(yōu)秀學(xué)生參與項目研究，一方面鍛煉學(xué)生的科研實踐能力，另一方面也培養(yǎng)學(xué)生的溝通交流能力和團隊合作精神。

4? ? ?結(jié)語

本次研制的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)復(fù)合力測量實驗裝置可以實時同步檢測工業(yè)機器人工作時，末端執(zhí)行機構(gòu)承受的扭力載荷和拉壓力載荷，通過上位機進行同步解耦處理和實時顯示。為三門專業(yè)基礎(chǔ)課程提供了5個全新的實驗項目，并且還能作為機器人學(xué)科專業(yè)競賽的輔助訓(xùn)練設(shè)備以及暑期小學(xué)期實踐課的開源學(xué)習設(shè)備。本實驗裝置豐富了機器人和電氣自動化專業(yè)的實驗教學(xué)內(nèi)容，鍛煉了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，提高了實驗課程的教學(xué)效果，并為本科高校自主研發(fā)實驗教學(xué)設(shè)備提供了新思路。

［參考文獻］

［1］ 孫松麗，溫宏愿.應(yīng)用型本科機器人工程專業(yè)課程體系構(gòu)建［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2020（1）：44-48.

［2］ 蘇伯文，趙樹平，胡其亮.多平臺聯(lián)動線上教學(xué)模式實踐研究［J］.廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，21（2）：108-111.

［3］ 趙建勇，程亞.工業(yè)機器人開放式運動控制實驗教學(xué)方法［J］.制造業(yè)自動化，2021，43（11）：65-68+80.

［4］ 鄭雪峰，姚鑫，陳龍.基于OpenGL的工業(yè)機器人運動學(xué)實驗仿真系統(tǒng)［J］.實驗室研究與探索，2021，40（6）：124-128.

［5］ 王輝，于立君，胡建，等.智能移動服務(wù)機器人實驗教學(xué)平臺研究［J］.實驗室科學(xué)，2020，23（6）：98-101.

［6］ 馬向華，朱麗，趙懷林，等.基于復(fù)雜工程的機器人專業(yè)創(chuàng)新實踐教學(xué)模式探究［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2020（23）：83-85+91.

［7］ 胡艷麗，伍龍，劉團結(jié)，等.基于CDIO+創(chuàng)新班+學(xué)科競賽的電工技術(shù)實訓(xùn)改革探索［J］.廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，21（2）：120-124.

［8］ 胡靜，李安桂，崔海航，等.新型排風罩性能測定實驗裝置研制及教學(xué)應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理，2021，38（11）：121-124+129.

［9］ 肖建康，楊立.以新實驗開發(fā)和新實驗設(shè)備研制培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)［J］.教育教學(xué)論壇，2018（10）：105-106.

［10］ 樊英杰.“新工科”背景下物理演示與探索實驗的自主開發(fā)與創(chuàng)新研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2020，37（5）：200-202.

[收稿日期]? ?2022-04-19

[基金項目]? ?2020年度安徽省高校教學(xué)研究重點項目“電子線路設(shè)計課程的項目化教學(xué)研究與實踐”（2020jyxm1145）；蚌埠學(xué)院新工科教學(xué)研究項目“基于柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)的電氣控制與PLC課程教學(xué)改革研究”（2020XGKJY13）

[作者簡介]? ?羅少軒（1980- ），男，碩士，蚌埠學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院副教授，研究方向：智能儀器儀表與傳感器。