機器人力/力矩反饋控制,海伯森六維力傳感器實現多場景落地
http://www.jeux2mario.com 2021-02-04 09:57:22 北國網

 上世紀70年代,我國的機器人技術進程開始起步,機器人在各行業的應用越來越廣,從簡單的替代低精度的重復勞動,到通過高精度傳感器獲得感官功能,未來向著人工智能方向發展。

  機器人技術及應用發展可分為三個階段四大層次,三個階段發展的關鍵因素分別是人口紅利因素、工程師紅利優勢和人工智能技術優勢等。中國憑借強大的人口優勢快速地度過了自動化階段,國內已經有眾多工業機器人龍頭企業;目前我國和日本、韓國等領先國家一樣處于機器智能向人工智能過渡階段;在人工智能技術積累方面我國也處于世界前列。

  機器人技術及應用發展得三個階段四大層次

  資料來源:前瞻產業研究院整理

  六維力覺感知拓寬應用邊界

  在目前的工業界,幾乎都在使用傳統的位置控制,例如讓機械臂沿著事先規劃好的軌跡在封閉、確認的空間中運動?;蛘邚囊曈X系統(Vision System)的反饋,使得位置控制的機器人具備一定適應外界可變環境的能力。從自動化到機器智能、人工智能的邁進,要借助于高精度的傳感器。靈敏的視覺系統是機器人的眼睛,除了幫助機器人更好的工作,還能保障工作安全。但隨著機器人應用邊界的不斷拓寬,單單靠視覺賦能已經滿足不了復雜的實際應用,此時就必須引入力/力矩控制輸出量,或者將力/力矩作為閉環反饋量引入控制。由于機械臂和工作面的接觸常常是未知的復雜曲面,因而這種力/力矩的感知,必須是多維的。我們說的六維力傳感器,是指測量空間X、Y、Z三個方向上的力和扭矩的傳感器。

  六維力傳感器(6-Dimension Force Torque Sensor)是力傳感器中一種新發展起來的傳感器,能同時轉換多維力/力矩信號為電信號,可用于監測方向和大小不斷變化的力與力矩和測量加速度或慣性力以及檢測接觸力的大小和作用點。

  六維力傳感器可以賦予機器人力與扭矩的感知變化,在完成簡單機械重復運動的基礎上去做更復雜的工作,如精密裝配(Precision Assembly)、力控柔性抓取(Force Controlled Flexible Pick & Place)、拋光打磨(Polishing)、插拔拼裝(Insertion & Assembly)等,其工作質量直接取決于機器人對力的感知與控制精度和速度。為什么要一直提力控?力控為什么這么重要?行業內有一種共識,未來的機器人運動控制領域,必須引入力控(Force Control),純位置控制(Position Control)是沒有前途的。

  作為一家專注于研發高端智能傳感器的科技公司,海伯森HYPERSEN憑借在工業力學、光學領域的多年經驗,自主研發生產了光譜共焦位移傳感器、超高速工業相機、六維力傳感器、激光對針傳感器等多種高端智能傳感器,產品獲得了多項國家專利并通過了CE \ FCC \ RoHS \ IEC62471 \ IEC60825等國際認證。其中,HPS-FT系列六維力傳感器作為海伯森的經典產品,提供了更優越的機器人力控解決方案,并且在六維力控中賦予了更高的性能和可操作性。

  衡量六維力傳感器性能的主要指標有,量程、精度、抗過載能力、數據輸出頻率、非線性度、蠕變、遲滯、零漂、溫漂、軸間串擾,此外還有解耦算法、濾波算法、溫度補償算法等等。六維力傳感器作為賦予機器觸覺的傳感器,在機器人和機電一體化設備中具有廣泛的應用。六維力傳感器的力控精度、量程、以及在各類環境下的抗干擾能力都是影響客戶體驗感的因素。要做好這些,對產品提供方的軟硬件研發能力提出了很高的要求。

  在硬件方面,海伯森自研的HPS-FT系列六維力傳感器采用了高精度應變計和緊湊型結構設計,實現了更高的信噪比和靈敏度,IP67防塵防水,在多數惡劣工業環境下也能實現數據精確采集;在軟件方面,六維力傳感器內置的溫度補償算法大大降低了由于溫度變化導致的溫度漂移,高精度解耦、濾波算法等實現了六維力傳感器的低零漂、低溫漂、低軸間串擾的良好性能。

  六維力控多場景落地

  隨著機器人在工業和生活中的應用場景愈加廣泛,在機器人行業中基本達成共識:未來的機器人運動控制領域,必須引入力控,純位置控制是沒有前途的。未來,對機器人的要求是走進人類的生活,不僅需要機器人安全地與人類做物理上的交互,還要求做到柔順的阻抗控制,具備在未知環境中的運動的能力和快速的動態控制調整能力,以上的所有,都離不開——力/力矩控制。

  力控傳感器一般安裝于機器人“四肢”,六維力傳感器通過法蘭與機械臂的末端關節固定連接,機器手臂末端的六維力傳感器測得X、Y、Z方向的力和力矩數據,并通過電纜傳輸給機器人從而實現六維力控。在工業自動化中,海伯森HPS-FT系列六維力傳感器高達2000Hz的輸出頻率可使機器人實時感知并控制力和力矩的大小,力控精度達0.05N(Fxy、Fz方向),0.001Nm(Mxy、Mz方向)。通過六維力傳感器,可實現力控拋光打磨、細小工件精密裝配、軟包柔性抓取、USB柔性插拔、擰螺栓等工作。

  除了力與力矩的控制方面,海伯森HPS-FT系列六維力傳感器的EtherCAT /Ethernet適配器的IO可與機器人的急停IO相連接,并設置報警閾值。當閾值超出,適配器通過IO信號對機器人發布急停命令,使其暫停。六維力傳感器超敏感的壓力傳導系統,具有良好的防碰撞急停功能,可有效保護用戶人身安全,防止設備的損壞。

  搭載了六維力傳感器的機器人也能基于模糊自適應導納控制,準確控制機器人末端接觸力。通過拖動示教,記錄路徑和力度并做重復性工作,是機器人最常被安排的工作。在醫療康復行業,為病人活動受傷的部位,頸椎正骨牽引康復等工作越來越多的交給機器人。

  為適應不同場景工作要求,海伯森HPS-FT系列六維力傳感器研發了多種不同的型號,傳感器HPS-FT120最大量程達5000N、150Nm,傳感器HPS-FT025最小可達150N、4Nm,最高可達500%的靜態抗過載能力,覆蓋了大部分應用的負載范圍。此外,還設置了不銹鋼材質的HPS-FT060S,它具有更強的剛性,可適應更高強度工作和更復雜的工作環境。

  人類通過各種感官確認物體的形狀和位置,未來,機器人或許也能像人類一樣,通過眼睛鎖定,耳朵聽見,皮膚觸摸,鼻子嗅聞來準確鎖定物體位置、形狀及狀態。海伯森,致力于建立一流的高端智能傳感器品牌,堅持“技術贏市場,誠信待客戶”的原則,推動國產傳感器科技賦能“中國制造”向“中國智造”的轉變,助力工業機器人更加智能化、柔性化,協助機器人走向“人機共融”。

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