多軸力量感測平台設計與驗證

摘要：本研究主要目的為開發一套構造簡單且易操作之六軸力量/力矩感測器測試平台，並測試其在各種方向、力量大小之下六軸力量/力矩感測器輸出訊號是否符合精度要求。本設計之校正機構使用音圈馬達為動力源，利用推桿、特殊治具改變力量傳遞方向，並以高精度之荷重元作為力量可靠度的驗證。在控制方面，利用音圈馬達、荷重元及PLC控制器使此平台具備回授控制功能，並採用Labview人機介面控制輸出力量/力矩與荷重元數值顯示，因此，使用者可得知校正機構的力量/力矩輸出狀況，此外，此校正機構亦能延伸應用校正多軸力量/力矩之感測器，對於機器人產業控制技術而言，可以得到多軸力量感測平台穩定且具可靠度的改善。

Abstract: This study designs a simple verification platform system for six-axis force / torque sensor. The system verifies sensor in various directions, force size, and whether the signals are within required accuracy or not. The main body of the verification platform system is composed of two voice motors (VCMs), special fixtures and two one-axis load cells. The VCM is the power source. The special fixtures achieve transfer of force direction and the high-precision load cells verify force reliability. The control unit uses a human-machine interface developed by Labview to provide reliable force using VCMs, load cells and PCI controller from a feedback controlled loop and to control the output force/ torques using. Therefore, the user can know the condition of six-axis force/torque applied on the verification platform system. Furthermore, this system can also extend the application of verifying multi-axial force / torques sensors and improve stability and reliability in robot control technology.

關鍵詞：力量感測器、回授控制、六軸力量/力矩

Keywords：Force Sensor, Feedback Control, Six-Axis Force/Torques

前言
機器人技術的應用範疇非常廣泛，其中工業機器為機器人市場中成長較快的項目，可以幫助人類做到較為繁瑣及費力的工作，目前已有許多機器人在未知或不確定的環境下協助人類工作，在未來若加以結合力量感測器以及安全控制的技術，將可以促進人類與機器人的共同工作的可能性。但以目前的技術來說，操作者無法完全有效的控制機器人動作，需要透過機器人裝置上的各項感測器來瞭解機器人與環境互動的狀況。因此，力量/力矩感測器的輸出訊號精度對機器人控制來說十分重要，且對各家廠商來說，校正力量感測器是在出廠前的必要程序之一，但校正力量感測器研究的文章大多使用相當傳統、麻煩的方法進行試驗，且最主要的問題是欲產生穩定具可靠度且需六軸方向並不是想像中的容易，目前以改變力量的方向用以測試感測器為較好的方法。

平台設計及測試方法
為了測試六軸力量/力矩感測器量測結果是否正確，本研究設計一機構，測試在各種方向、力量大小之下六軸力量/力矩感測器輸出訊號是否符合精度要求。在靜態測試上，產生單純的六軸力量/力矩做基本的測試，而單純的力量/力矩分別由兩組不同的特殊加工治具組合達成，整體架構圖如圖1所示。控制器控制音圈馬達出力的大小，音圈馬達推動測試平台傳到六軸力量/力矩感測器，而輸出力量再由荷重元觀測作回饋。此章節分為三部份，機構設計說明、控制器架構說明以及六軸力量計算說明，如下：

機構設計說明
測試六軸力量/力矩感測器的機構設計是由音圈馬達（Akribis systems AVM 90-30）、馬達驅動器（B15A8 PWM servo drive）、荷重元（煜昕LM-100）、線性滑軌（60 mm x 60 mm x 18 mm）、精密位移台（X、Y行程12.5 mm，Z軸角度360度，精度1度）、訊號輸出/擷取卡（NI DAQ card 9234、9263）以及2個特殊加工的治具所組成。校正機構整體示意圖，如圖2所示。

為了測試六軸力量/力矩之各方向感測器的力量大小，本次實驗設計2個特殊加工的治具，分別為六軸力量/力矩感測器固定治具、三軸力量/力矩特殊治具，用以量測Force X、Force Y、Force Z、Moment X Moment Y及Moment Z的方向，如圖3所示。