（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

0 引言

近几年随着人力成本大幅提升，按照事先编好程序进行控制的第二代工业机器人越来越多地应用在工业生产领域，为了预防事故发生，保证作业安全，这种工业机器人在使用时需要设定安全防护栏，把人与机器人隔离开。但这种机器人会增加生产空间的占用，降低人机协作程度。在某些工作环境相对比较复杂的生产线，机器人不能完全替代人的工作，此时实现生产过程的人机协作就显得尤为重要。

如今有着智能传感器的第三代机器人的出现则有效地满足生产线对于人机协作的需求，例如ABB打造的双臂14轴工业机器人YuMi；KUKA生产的7轴轻型智能工业机器人iiwa；Universal Robots公司推出体积更小更灵活更安全的人机协作机器人——UR3；Rethink Robotics公司的第二代智能协作机器人Sawyer[1,2]。其中ABB YuMi机器人帮助电子工业等领域实现小件装配的自动化应用[3]；KUKA的iiwa机器人在美国福特汽车公司内完成了汽车减震器的组装[4]。但目前这些人机协作的工业机器人在国内仅处于设备介绍及运动学理论研究的阶段[5]，还没有实现工业生产上的应用。

本文针对人机协作机器人在国内工业生产的应用前景，设计了基于iiwa机器人的涂胶系统，并对该涂胶系统的整体设计方案、电气设计方案及软件设计方案进行介绍，最后进行了系统测试。

1 涂胶系统的整体设计方案

涂胶系统由机器人系统及泵胶系统两部分组成。泵胶系统将胶料供应到机器人末端工具；机器人执行运动程序并判断当前条件打开或关闭排胶阀从而实现涂胶动作。整体系统示意图如图1所示。

图1 系统示意图

1.1 机器人系统

机器人系统由iiwa机器人、机器人工具及工件放件台三部分组成。

1.1.1 iiwa机器人

Iiwa机器人是KUKA公司生产的轻型智能工业机器人，可实现重复定位精度0.01mm。相比于普通的工业机器人，iiwa具有以下三个特点：

1）灵敏：iiwa具有多达7个关节，增加了关节冗余，使机器人具有更好的运动学特性；

2）安全：iiwa机器人可以实现ISO 13849中安全类别3及安全性能等级d级。每个关节配备高性能力矩传感器，因而iiwa对力的敏感度极高，通过各关节力矩检测使人机协作过程更加安全，摆脱安全护网对机器人工作的限制；

3）开放：基于Java平台的开放式编程结构，容易实现更多复杂功能。

鉴于iiwa机器人灵敏、安全的特性，故在本系统中使用该机器人以实现人机协作。

1.1.2 机器人工具

机器人工具由胶嘴、排胶阀及法兰固定件组成。其中排胶阀与胶嘴就近布置，以防止关闭排胶阀后出现胶嘴继续排胶，影响涂胶胶型。胶嘴与排胶阀通过法兰连接件与机器人末端固定。为了适用于人机协作场合，机器人工具整体需安装保护罩，此处为了便于实验暂时没有安装。

图2 机器人工具

1.1.3 放件台

工件放件台的主要作用是识别工件类型，因此设计了工件的定位工装并安装了三个光电检测开关。定位工装，用于装卡工件，通过对定位块的形状及位置设计能有效地避免工件放反。工件放好后通过查询三个光电检测开关的状态可识别多种工件。为了适用于人机协作场合，将放件台边角倒圆、倒钝。

1.2 泵胶系统

泵胶系统采用SCA的单桶手动涂胶泵，该胶泵最大气源压力6bar，可实现最大胶料压力342bar，压比1:57。

2 电气设计方案

电气部分主要包括profinet通讯搭建、机器人供电及光电开关传感器的供电。Profinet总线从机器人控制器X66总线接口连接到IO模块的P1口。机器人的供电直接采用220V交流电，光电开关及传感器的供电则需要用24V直流电。24V转换及供电电路如图4所示。

图3 放件台

3 软件设计方案

Iiwa机器人的软件设计是在KUKA Sunrise Workbench中进行的。其中包括IO配置、安全配置及运动编程三部分[6]。

3.1 IO配置

在Sunrise Workbench中通过IOConfiguration.wvs进入workvisual配置窗口，创建Sunrise IO组——PROFINET_MURR并对所有IO点进行接线，最后将配置导入Sunrise Workbench。

图4 24V转换及供电电路图

3.2 安全配置

在Sunrise Workbench中通过SafeConfiguration.sconf进入安全配置窗口。通过安全配置窗口可以设定速度监控及外部急停。

速度监控：监控机器人及工具速度不超过250mm/s，若运行中速度超过限值则机器人以stop1的方式停止运动。stop1是KUKA机器人的一种沿轨迹运动的停止方式。

外部急停：选择CIB_SR.1输入端，同时在机器人控制器X11接口的1和2管脚连接急停按钮A通道，在10和11管脚连接急停按钮的B通道，至此完成外部双通道急停按钮功能配置。紧急情况按下急停按钮，iiwa机器人将以stop1的模式停止运动。

3.3 运动编程

机器人上电初始化后根据三个光电检测开关的状态判断车型，根据所选车型选择相应的涂胶轨迹。并且在运动过程中检测各个关节的受力情况，如果受力超出所设范围则机器人检测到碰撞，机器人立即停止运动，等待现场工人排除障碍后轻推机器人放弃涂胶或通过按键选择继续涂胶。如果认为碰撞后影响涂胶胶型，则应停止当前涂胶，更换新件后继续涂胶。整体程序流程如图5所示。

3.3.1 机器人运动程序

为了实现涂胶转角处胶型的连续均匀，用spl()运动指连接两段lin()运动，然后将所有的运动段封装在一个Spline运动中，这样在整个涂胶轨迹中机器人不会发生运动停顿现象，保证胶型质量。另外为了保证机器人在规定的节拍内完成涂胶工艺，设定机器人的运动速度为100mm/s。

图5 程序流程图

3.3.2 碰撞检测程序

碰撞检测程序设定各个关节的力矩范围并监控机器人关节力矩，只要有一个关节力矩瞬时值超限则认为发生碰撞。因此设定机器人各个轴的正常转矩范围值为（Mnow±15）Nm，其中Mnow为当前机器人关节转矩。如果瞬时值超过（Mnow±15）Nm则认为机器人与外界环境发生碰撞，此时机器人将以stop1的方式停止运动。

另外国际标准化组织2016年发布的ISO/TS 15066[7]中对于身体各部位最大受力值有了明确说明，如表1所示。根据表1中的数值，人的面部是最脆弱的部位，其最大允许受力值65N，最大允许压力110N/cm2。因此在设定机器人阻抗控制运动模型时，TCP最大受力值设为20N，超过该限值机器人以stop1的方式停止运动。

表1 人体各生理部位受力极限

3.3.3 人机协作程序

恢复碰撞后的运动则首先需要现场工人通过按钮以确认继续涂胶，或轻推一下机器人让其返回初始位置。按键是位于放件台一侧的黑色蘑菇按钮。轻推机器人则是利用1轴的力传感器检测1轴力矩的瞬时变化，如果该轴力矩有瞬时变化则认为机器人受到推动力。其中瞬时变化值设定为1Nm。

4 涂胶系统搭建与测试

在以上系统设计的基础上，搭建了iiwa机器人涂胶系统，如图6所示。在完成系统搭建后，进行了涂胶测试。测试共分为尺寸测试、碰撞测试及人机协作测试三部分。

4.1 胶条尺寸测试

涂胶应用对于胶型尺寸有严格的要求，在本系统的应用中要求胶条宽度尺寸要满足（6±1）mm。经过测试本系统的胶型尺寸最宽处6.9mm，最窄处5.3mm，满足设计要求。

图6 涂胶系统实物图

4.2 碰撞功能测试

在机器人运动过程的任意位置，测试人员用手掌阻挡机器人，实现阻止机器人当前运动。并且在机器人停止运动时，排胶阀同时立即关闭，不会出现继续排胶及堆胶现象。

4.3 人机协作测试

在测试人员用手阻止机器人当前运动后，通过轻推机器人，机器人放弃当前涂胶循环回到涂胶初始位置等待放件。在测试人员重新上件并按下确认按钮后机器人继续工作。

5 结束语

本文介绍了一种基于iiwa机器人研制的涂胶系统整体设计方案。在iiwa机器人的基础上完成了，机器工具设计、放件台设计、电气设计及涂胶系统软件设计。测试实验结果表明，该涂胶胶条尺寸满足了生产工艺要求，实现了涂胶的工艺要求及过程中碰撞检测及人机协作。后续的研究将继续提高胶条尺寸的稳定性，并实现更为复杂的人机协作能力。

[1]IF Ďurovský.Recent Trends In Industrial Robotics[J].Transfer inovácií,2014,29:181-184.

[2]Mathieu Bélanger-Barrette. Collaborative Robot eBook-Updated Version[OL].http://blog.robotiq.com/collaborative-robot-ebookupdated-version.

[3]ABB.ABB YuMi双臂机器人引领人机协作新时代[J].金属加工(热加工),2015(08):3.

[4]与福特汽车工厂员工打成一片的LBR iiwa[OL].http://www.auto-made.com/news/show-332.html.

[4]胡明伟.一种协作型机器人运动性能分析与仿真[J].智能系统学报,2017,12(1):1-7.

[5]Operating and Programming Instructions for System Integrators[M].Augsburg:KUKA,2015.

[6]ISO/TS 15066:2016, Robots and robotic devices-Collaborative robots[S].