高雄科技大學機器手臂接觸力追蹤系統

[kiwi wu]

六軸機器手臂研磨、拋光是一門很深的學問，工件的公差、機器手臂的重複精度、直線精度、砂輪的損耗...都在在影響著研磨的效果、品質，也因此要對一個工件做到高精度的研磨，確實是一項困難度相當高的挑戰，為此，由機器手臂外接一力覺感知模組進行力覺感知，並進行迴路自動控制，讓研磨工具與工件，以趨近於一個固定力量的方式進行研磨，成為機器手臂自動化研磨的新理論與技術。

本案為國立高雄科技大學(第一校區)機電工程學系 2022 的碩士論文研究成果，筆者因有幸應邀擔任畢業口試委員，有機會了解台灣學術界在機器手臂研磨方面的研究與進展，並有感國立高雄科技大學校師生團隊在此領域的努力與貢獻，遂將全案研究可公開部份在此紀錄，希能分享學術界的智慧，促進台灣產業的升級，以提升國家競爭力。

系統使用 KUKA KR6 R900 機器手臂，並在機器手臂法蘭上，裝上一隻力覺感知模組，藉以感知並傳送力量的訊號到控制器內，同時以一部工業電腦 負責演算及設定相關參數、改變整體系統轉換函數 Transfer function，藉以控制機器手臂的位置修正，達到機器手臂法蘭上的工具，以固定力量輸出進行研磨運動。

系統架構圖:


系統轉換函數 Transfer Function:


Where
wn : 自然頻率 Natural Frequency
š : Damping Ratio

經過系統參數最佳化設計及分析後，找出本系統最適合的Transfer function，並以實驗驗證結果如下:


最佳參數組合實驗驗證結果：機器手臂工件實際位置 Vs. 時間


最佳參數組合實驗驗證結果：機器手臂工件實際接觸力 Vs. 時間

該研究結果顯示：

• 機器手臂與研磨表面首次接觸瞬間，施力過衝可控制在 4 Newton 以內。

• 首次接觸工件表面後 0.8 秒，機器手臂即可進入追蹤狀態，並維持穩定接觸，未脫離接觸面。

• 經過最佳化設計，可以找出最佳 Transfer Function 並控制 6 軸機器手臂施力在期望值的正負 1.5 Newton 以內，顯示機械手臂能夠穩定並且有效的追蹤期望接觸力。

本案研究成果提供了一個真實數據的曲線資料，讓 6 軸機器手臂力量控制，不再停留於抽象的經驗認定，同時，也驗證了以改變二階標準控制系統的Transfer function 的控制方式，確實可以做到 6 軸機器手臂有效追蹤期望接觸力的功能，並提供一個最佳化的控制設計，對研磨產線實務的應用，有著非常重要的意義與價值。


主要設備：
機器手臂: KUKA KR6 R900
Force Sensor: Schunk Axia80 F/T Sensor
KUKA RSI: RobotSensorInterface
Personal Computer
系統整合：國立高雄科技大學第一校區機電工程系
KUKA RSI 技術支援：卓智機器人Wise Tech Robot