協(xié)作機器人

傳統(tǒng)工業(yè)機器人體積龐大且安全系數(shù)低，因為作業(yè)半徑內(nèi)不允許有人。隨著精密制造、柔性制造等動態(tài)非結構化生產(chǎn)需求增加，機器人與人、機器人與環(huán)境的共存對機器人設計提出了更高的要求，具備這種能力的機器人我們將其稱為協(xié)作機器人。

協(xié)作機器人具有諸多優(yōu)點，包括輕量化、環(huán)境友好性、智能感知、人機協(xié)作和易于編程等。在這些優(yōu)點背后，有一項功能是非常重要的，那就是碰撞檢測——主要作用是減少碰撞力對機器人本體的影響，避免機器人本體或者外圍設備損壞，更重要的是防止機器人對人類造成損傷。

隨著科學技術的發(fā)展，用于實現(xiàn)協(xié)作機器人碰撞檢測的方式已經(jīng)有很多，包括運動學、力學、光學等。當然，這些實現(xiàn)方式的核心都是具備各種檢測功能的元器件。

協(xié)作機器人的碰撞檢測

機器人的出現(xiàn)并非意在完全取代人類，很多工作需要人類和機器人相互合作來完成，這便是協(xié)作機器人誕生的背景。協(xié)作機器人的設計初衷是為了與人類在工作中進行互動和協(xié)作，以提升工作效率和安全性。

在一個工作場景下，協(xié)作機器人與人類直接合作，因此安全性問題怎么強調(diào)都不為過。為了保障人機協(xié)作的安全性，業(yè)界制定了諸多相關的法規(guī)和標準，目的就是為了讓協(xié)作機器人從設計之初就考慮到人機協(xié)作的安全性問題。

圖1：碰撞檢測位于協(xié)作機器人設計邏輯的底層

（圖源：節(jié)卡機器人）

同時，協(xié)作機器人自身也要確保安全可靠。由于協(xié)作機器人的空間自由度非常高，且主要替代人類在復雜、危險環(huán)境中的工作，因此在磨削、裝配、鉆孔、搬運等工作中，也需要對可能發(fā)生的碰撞進行快速可靠的檢測。

為了讓協(xié)作機器人不與人類、環(huán)境發(fā)生碰撞，設計者們將碰撞檢測大致分為四個環(huán)節(jié)：

01

預碰撞檢測

在一個工作環(huán)境里部署協(xié)作機器人時，設計者希望這些機器人能夠像人類一樣熟知環(huán)境，規(guī)劃自己的移動路徑。為了達到這一點，設計者在協(xié)作機器人上安裝具有一定計算能力的處理器和檢測算法，并搭建攝像頭、傳感器和雷達的一種或者幾種作為檢測手段。如上所述，預碰撞檢測是有行業(yè)標準可以遵循的，比如ISO/TS15066協(xié)作機器人設計標準中，就要求協(xié)作機器人在人接近時停止運行，人離開時立即恢復。

02

碰撞檢測

這就是一個非是即否的形態(tài)，代表協(xié)作機器人是否發(fā)生了碰撞。為了不發(fā)生誤觸發(fā)的問題，設計者會為協(xié)作機器人設定一個閾值。這個閾值的設定是非常考究的，既要保證不能頻繁觸發(fā)，同時也要極度靈敏以避免碰撞。由于機器人的控制主要靠馬達，因此設計者將這個閾值和馬達自適應算法結合在一起，做到碰撞即停。

03

碰撞隔離

當系統(tǒng)確認碰撞發(fā)生之后，需要確認具體的碰撞點或者是碰撞關節(jié)。此時實施隔離目的就是讓這個碰撞的部位停下來。傳統(tǒng)機器人的碰撞隔離通過外部護欄來實現(xiàn)，協(xié)作機器人由于處于開放空間，因此就需要通過算法和反向加速度來實現(xiàn)。

04

碰撞識別

此時協(xié)作機器人已經(jīng)確認發(fā)生了碰撞，相關變量已經(jīng)超出了閾值。這時候機器人上的處理器需要根據(jù)傳感信息判斷碰撞是否為偶發(fā)碰撞，如果判定結果為是，那么協(xié)作機器人需要自我修正；如果判定為非偶發(fā)碰撞，那么此時協(xié)作機器人將停機等待人類處理。

可以說碰撞檢測是協(xié)作機器人實現(xiàn)自我感知非常重要的主張，為協(xié)作機器人的大規(guī)模應用和進入更廣泛的場景提供了可能。在不同的碰撞環(huán)節(jié)，協(xié)作機器人對于傳感器的需求是不一樣的。比如在預碰撞檢測環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的主要目的是不讓碰撞發(fā)生，因此傳感器的職責就是環(huán)境感知。實現(xiàn)的路線有很多，比如基于視覺的環(huán)境感知，基于毫米波雷達的環(huán)境感知，還有基于激光雷達的環(huán)境感知等，那么就需要配合對應的傳感器和算法。

當碰撞發(fā)生之后，重要的是協(xié)作機器人要第一時間知曉碰撞點和碰撞的程度，以采取進一步的措施防止情況進一步惡化。碰撞檢測傳感器便是在此時發(fā)揮作用。常見的碰撞傳感器主要有機械式碰撞傳感器、磁力式碰撞傳感器、壓電式碰撞傳感器、應變式碰撞傳感器、壓阻片式碰撞傳感器和水銀開關式碰撞傳感器等。

我們都知道，協(xié)作機器人在工作時，機械臂會被施加來自很多方向的力矩，用以讓機械臂運動起來進行工作。如下圖所示，搭載碰撞傳感器的保護系統(tǒng)在檢測到碰撞發(fā)生之后，會施加合力矩、轉(zhuǎn)矩以及軸向負載的反作用力，協(xié)作機器人會立刻停止工作。

圖2：機械臂保護系統(tǒng)框圖

（圖源：ATI）

如果你已經(jīng)迫不及待想要實現(xiàn)一款具有高度安全性的協(xié)作機器人，下面這兩款貿(mào)澤電子在售的傳感器都是很不錯的選擇。

具有高分辨率閾值的

三軸數(shù)字加速度計

上文中提到，目前用于協(xié)作機器人的碰撞檢測傳感器已經(jīng)非常多了，在此我們展開說一下三軸數(shù)字加速度計。

三軸數(shù)字加速度計可以用于測量物體在三個坐標軸上的加速度，當碰撞發(fā)生時，以此計算加速度計值之間的差值，當差值累計超過閾值時，則確認系統(tǒng)發(fā)生了碰撞。三軸數(shù)字加速度計是目前行業(yè)里用以確認碰撞發(fā)生的簡單方式之一。

下面我們就為大家介紹一款貿(mào)澤電子在售的，可用于協(xié)作機器人碰撞檢測的三軸數(shù)字加速度計，來自制造商ROHM Semiconductor，這款器件在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號為KX132-1211。

圖3：KX132-1211三軸數(shù)字加速度計

（圖源：貿(mào)澤電子）

KX134和KX132三軸數(shù)字加速度計是兩款硅微機械加速度計，具有用戶可配置的3級高級數(shù)據(jù)路徑(ADP)，其中包含低通濾波器、低通/高通濾波器和RMS計算引擎，還配備了先進的喚醒和睡眠檢測功能。

圖4：KX132-1211三軸數(shù)字加速度計功能框圖

（圖源：ROHM Semiconductor）

圖5：KX132-1211三軸數(shù)字加速度計啟動時間框圖

（圖源：ROHM Semiconductor）

KX134和KX132三軸數(shù)字加速度計具有高分辨率閾值和高精度。其中，高分辨率閾值可配置到低至15.6mg，還在整個溫度范圍內(nèi)降低了噪聲并改善了線性度。

在精度方面，KX134-1211用戶可配置的g值范圍可達±64g，輸出數(shù)據(jù)傳輸速率可達25600Hz；KX132-1211用戶可配置的g值范圍可達±16g，輸出數(shù)據(jù)傳輸速率可達25600Hz 。兩款三軸數(shù)字加速度計都集成了自由落體、Directional-Tap/Double-Tap和設備定向算法，提高了低功耗模式下基于溫度的ODR精度。

KX134和KX132三軸數(shù)字加速度計還具有出色的耐熱性能和耐沖擊能力，并內(nèi)置穩(wěn)壓器，可應對嚴苛的工作環(huán)境。

靈敏度可選的法蘭安裝式磁簧傳感器

磁力式碰撞傳感器也是一種應用廣泛的碰撞檢測傳感器，它通過磁性材料的磁性特性來檢測磁場的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出，實現(xiàn)對物理量的測量。作為磁力式碰撞傳感器的一種，應用于協(xié)作機器人上時，磁簧傳感器更多是用于限位和安全訪問。

接下來我們?yōu)榇蠹?a target="_blank">推薦一款超小型法蘭安裝式磁簧傳感器，來自制造商Littelfuse，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為59155-1-S-02-A。

圖6：Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器

（圖源：貿(mào)澤電子）

59155和59156是Littelfuse新推出的超小型法蘭安裝式磁簧傳感器，與目前市場上類似尺寸的產(chǎn)品相比，59155和59156更加小巧，尺寸僅為12.70mm x 9.00mm x 3.00mm，僅占用1.09cm2電路板空間。

尺寸雖小，不過Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器的性能很出色。59155和59156具有非常高的切換能力，可以在10W的條件下切換120V_AC/170V_DC。這些法蘭安裝式磁簧傳感器采用非接觸式開關，適合用于潮濕和惡劣環(huán)境。他們的法蘭支座的外殼設計支持可定制，具有絕佳的可調(diào)節(jié)性，使其適合不同行業(yè)的各種小間距應用，這當然也包括從事嚴苛復雜工作的協(xié)作機器人。

Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器采用殼體設計，可使用M2螺絲以0.1Nm扭矩進行安裝，也支持黏合式安裝，因此非常易于使用。除了應用于協(xié)作機器人的接近/限位傳感、安全和訪問控制，這些法蘭安裝式磁簧傳感器也可用于工廠自動化、加工設備、家電和物聯(lián)網(wǎng)等領域。

協(xié)作機器人的柔性交互

對于協(xié)作機器人，很多人都熟知它是工作制造領域柔性生產(chǎn)的重要組成部分。面向未來，協(xié)作機器人在包括碰撞檢測等方面的發(fā)展也需要更加柔性。上述我們詳述了協(xié)作機器人的碰撞檢測，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)也取得了長足進步。不過，從用戶的角度來看，這明顯還不夠。

在部署時，協(xié)作機器人對于環(huán)境的了解還是半自適應的，需要人類操作其在工作空間內(nèi)巡航至少一次才能夠?qū)β肪€有大致理解。在和人類交互時，目前協(xié)作機器人為了避免碰撞，基本采取直接停止工作的方式應對，和我們理想中的人機協(xié)作還有差距。為了進一步提升柔性交互的體驗，感知能力、學習能力等方面還需要精進，需要更好的傳感器和算法支持。

未來的協(xié)作機器人必將會更加智能、靈活、多功能和人性化，貿(mào)澤電子也將持續(xù)將先進的器件帶給大家，與行業(yè)和從業(yè)者共同成長。

相關技術資源

ROHM Semiconductor 三軸數(shù)字加速度計，了解詳情>>

Littelfuse 59155和59156法蘭安裝件，了解詳情>>

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