一、系统组成

图1 系统组成

二、硬件选型

2.1 国产机器人本体选型

以上是国产机器人埃夫特公司的六自由度机器人的列表均可选，本项目综合考虑机器人打磨物体自重、机器人最大臂展和机器人自重，选择ER20D-C10型号的20Kg负载机器人。

2.2 dSPACE控制器选型

为了适应不同的控制需求，dSPACE公司生产了多个系列的控制器。本项目要实现双臂机器人的控制，为了达到同时控制2台6自由度机器人的目的，dSPACE控制器至少要有12个DA接口、12个编码器接口、2路RS422或Ehternet接口和24个IO接口。结合以上硬件配置要求，本实验平台选用dSPACE公司的组件系统DS1007，组件系统可以根据硬件的需求，选配相应数量的板卡进行扩展，通过选配对应数量的DA板卡、编码器接口板卡和IO板卡，可以满足本项目一台控制器控制两台六自由度工业机器人的要求。

2.3 六维力/力矩传感器选型

六维力/力矩传感器选用国际知名品牌美国ATI公司的产品，dSPACE控制器通过Ethernet接口读取六维力/力矩传感器的数值，在本方案中，使用了具有自主知识产权的重力补偿及坐标系标定算法。

三、系统方案说明

本方案面向机器人搬运和打磨的需求，开发一款具有双机械臂协同控制功能的开放式实验平台。本机器人实验平台的开发，综合考虑实验室布局、软硬件开放性、设备性能、运动节拍等因素，采用标准化、模块化设计，平台由dSPACE实时控制器、两台六自由度串联机器人、机器人末端夹治具、六维力传感器等主要部件组成。最终面向机器人教学和科研应用，集成设计为双臂高精度搬运、打磨机器人系统展示平台。

本系统方案主要包括机器人运动学控制基本功能、面向打磨的力控算法和汽车零部件打磨工作站集成三个部分。下面来分别介绍着三个模块的功能。

（1）机器人运动控制基本功能

图2 Simulink模型中机器人运动控制基本功能

本机器人实验平台首先包含机器人运动控制是基本功能，包括运动规划模块、机器人正逆解模块、伺服使能模块、反馈模块、双臂协同控制算法和控制器模块。如图2所示，在Simulink中，这些模块的所有算法采用框图、M函数和S函数混合编程的方法实现，所有代码都可供用户在Simulink软件中参考和修改。用户可以在关节空间和笛卡尔空间进行点动和示教操作。

（2）面向打磨的力控算法

在打磨方面，采用图3所示的力位混合控制。它由位置控制和力控制两部分组成。位置控制为 PI 控制，给定为机器人末端的笛卡尔空间位置，末端的笛卡尔空间位置反馈由关节空间的位置经过运动学计算得到。图中，T 为机器人的运动学模型，J 为机器人的雅克比矩阵。末端位置的给定值与当前值之差，利用雅克比矩阵的逆矩阵转换为关节空间的位置增量，再经过 PI 运算后，作为关节位置增量的一部分。力控制同样为 PI 控制，给定为机器人末端的笛卡尔空间力 / 力矩，反馈由力 / 力矩传感器测量获得。末端力 / 力矩的给定值与当前值之差，利用雅克比矩阵的转置矩阵转换为关节空间的力 / 力矩。关节空间的力 / 力矩经过 PI运算后，作为关节位置增量的另一部分。位置控制部分和力控制部分的输出，相加后作为机器人关节的位置增量期望值。机器人利用增量控制，对其各个关节的位置进行控制。

图3 机器人力/位置混合控制

（3）汽车零部件打磨工作站集成

下面对双臂打磨机器人工作站进行描述，该工作站主要包括双臂打磨机器人、六维力传感器、电气柜和上位机组成。本实验选取汽车轮毂作为打磨对象，在打磨过程中，要求双臂机器人能够适应不同尺寸外观汽车轮毂的打磨工作。

1）汽车轮毂毛坯打磨

目前铸造法是汽车轮毂生产的最主要的方法，该方法需要选取合适的铸造材料，如铝合金，采用浇筑法一体成型并进行相关热处理工艺。经过铸造成型的轮毂，在经过简单的机加工处理后，其端面会有一些毛刺，因此需要对其进行端面整体的打磨处理。通过汽车轮毂的CAD模型，提取出其需要打磨的端面的几何参数，然后导入双臂机器人控制系统中，双臂机器人加持住被打磨轮毂，靠近固定的打磨装置，按设定好的轨迹和速度进行粗打磨和精打磨。粗打磨采用80目砂纸的打磨装置，精打磨采用300目砂纸的打磨装置。一般粗磨工序时长为10分钟左右，精磨工序的时长为2分钟左右。在进行轮毂端面整体打磨时，除了要控制双臂机器人协同将被打磨轮毂移动到砂轮处，还需要通过力传感器获取当前打磨的力，从而结合机器人力/位置混合控制算法，保证在打磨的过程中接触面压力的恒定。汽车轮毂端面整体打磨的工作流程如图4所示。

图4 轮毂端面整体的双臂打磨机器人工作流程

2）汽车轮毂缺陷打磨工作站的工作流程如图5所示， 

图5 轮毂缺陷处的双臂打磨机器人工作流程

对汽车轮毂端面进行全身打磨后，某些情况下还需要对汽车轮毂铸造或搬运中产生的个别伤痕进行打磨处理，本实验针对轮毂某个特定位置进行打磨工艺的分析。

首先是机器人上电进行程序初始化工作。然后通过肉眼观察轮毂毛坯端面，并进行伤痕检测，将需要打磨的伤痕标出。然后通过示教的方式使双臂机器人加持住被打磨轮毂，并向粗打磨砂轮移动，并记录2台机器人初始位置和终止位置的坐标，然后再通过示教的方式控制双臂加持汽车轮毂向精打磨砂轮运动，然后记录精打磨时双臂的位姿。机器人控制系统会根据记录的起始和终止坐标进行轨迹和速度规划，然后重复人工示教的打磨过程，完成机器人的自动打磨，最后将打磨完成的汽车轮毂整齐的码垛在指定位置。

在机器人打磨时，除了通过示教的方式得到期望打磨伤痕的位置外，同样还需要通过力传感器获取打磨接触面的压力，结合机器人力/位置混合控制算法，对于不同类型的机械伤痕进行不同压力的打磨。

由于打磨作业会产生粉尘，因此，在打磨砂轮附件会安装真空除尘装置，通过真空吸附的方式将打磨过程中产生的细微颗粒吸取并存储在粉尘袋中。为了保证机器人本体和操作人员的安全，在双臂机器人的最大工作空间外，将配备金属网栅进行隔离。

四、现场效果

现场图片