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協(xié)作機(jī)器人
傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)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(jié)構(gòu)化生產(chǎn)需求增加，機(jī)器人與人、機(jī)器人與環(huán)境的共存對機(jī)器人設(shè)計提出了更高的要求，具備這種能力的機(jī)器人我們將其稱為協(xié)作機(jī)器人。
協(xié)作機(jī)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(jī)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(jī)器人本體的影響，避免機(jī)器人本體或者外圍設(shè)備損壞，更重要的是防止機(jī)器人對人類造成損傷。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用于實現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人碰撞檢測的方式已經(jīng)有很多，包括運動學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等。當(dāng)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(jī)器人的碰撞檢測
機(jī)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(jī)器人相互合作來完成，這便是協(xié)作機(jī)器人誕生的背景。協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計初衷是為了與人類在工作中進(jìn)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(jī)器人與人類直接合作，因此安全性問題怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。為了保障人機(jī)協(xié)作的安全性，?業(yè)界制定了諸多相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，目的就是為了讓協(xié)作機(jī)器人從設(shè)計之初就考慮到人機(jī)協(xié)作的安全性問題。
圖1：碰撞檢測位于協(xié)作機(jī)器人設(shè)計邏輯的底層（圖源：節(jié)卡機(jī)器人）
同時，協(xié)作機(jī)器人自身也要確保安全可靠。由于協(xié)作機(jī)器人的空間自由度非常高，且主要替代人類在復(fù)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(jìn)行快速可靠的檢測。
為了讓協(xié)作機(jī)器人不與人類、環(huán)境發(fā)生碰撞，設(shè)計者們將碰撞檢測大致分為四個環(huán)節(jié)：
01、預(yù)碰撞檢測
在一個工作環(huán)境里部署協(xié)作機(jī)器人時，設(shè)計者希望這些機(jī)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(dá)到這一點，設(shè)計者在協(xié)作機(jī)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(dá)的一種或者幾種作為檢測手段。如上所述，預(yù)碰撞檢測是有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以遵循的，比如ISO/TS15066協(xié)作機(jī)器人設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，就要求協(xié)作機(jī)器人在人接近時停止運行，人離開時立即恢復(fù)。
02、碰撞檢測
這就是一個非是即否的形態(tài)，代表協(xié)作機(jī)器人是否發(fā)生了碰撞。為了不發(fā)生誤觸發(fā)的問題，設(shè)計者會為協(xié)作機(jī)器人設(shè)定一個閾值。這個閾值的設(shè)定是非?？季康?，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(jī)器人的控制主要靠馬達(dá)，因此設(shè)計者將這個閾值和馬達(dá)自適應(yīng)算法結(jié)合在一起，做到碰撞即停。
03、碰撞隔離
當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)碰撞發(fā)生之后，需要確認(rèn)具體的碰撞點或者是碰撞關(guān)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(jī)器人的碰撞隔離通過外部護(hù)欄來實現(xiàn)，協(xié)作機(jī)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(jī)器人已經(jīng)確認(rèn)發(fā)生了碰撞，相關(guān)變量已經(jīng)超出了閾值。這時候機(jī)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(jié)果為是，那么協(xié)作機(jī)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(jī)器人將停機(jī)等待人類處理。
可以說碰撞檢測是協(xié)作機(jī)器人實現(xiàn)自我感知非常重要的主張，為協(xié)作機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用和進(jìn)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(jī)器人對于傳感器的需求是不一樣的。比如在預(yù)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(zé)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(dá)的環(huán)境感知，還有基于激光雷達(dá)的環(huán)境感知等，那么就需要配合對應(yīng)的傳感器和算法。
當(dāng)碰撞發(fā)生之后，重要的是協(xié)作機(jī)器人要第一時間知曉碰撞點和碰撞的程度，以采取進(jìn)一步的措施防止情況進(jìn)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(jī)械式碰撞傳感器、磁力式碰撞傳感器、壓電式碰撞傳感器、應(yīng)變式碰撞傳感器、壓阻片式碰撞傳感器和水銀開關(guān)式碰撞傳感器等。
我們都知道，協(xié)作機(jī)器人在工作時，機(jī)械臂會被施加來自很多方向的力矩，用以讓機(jī)械臂運動起來進(jìn)行工作。如下圖所示，搭載碰撞傳感器的保護(hù)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(fù)載的反作用力，協(xié)作機(jī)器人會立刻停止工作。
圖2：機(jī)械臂保護(hù)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(jī)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(jī)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(biāo)軸上的加速度，當(dāng)碰撞發(fā)生時，以此計算加速度計值之間的差值，當(dāng)差值累計超過閾值時，則確認(rèn)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(rèn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(dá)±64g，輸出數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)25600Hz；KX132-1211用戶可配置的g值范圍可達(dá)±16g，輸出數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)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(shè)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(yīng)對嚴(yán)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(yīng)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(yīng)用于協(xié)作機(jī)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)榇蠹彝扑]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120VAC/170VDC。這些法蘭安裝式磁簧傳感器采用非接觸式開關(guān)，適合用于潮濕和惡劣環(huán)境。他們的法蘭支座的外殼設(shè)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(yīng)用，這當(dāng)然也包括從事嚴(yán)苛復(fù)雜工作的協(xié)作機(jī)器人。
Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器采用殼體設(shè)計，可使用M2螺絲以0.1Nm扭矩進(jìn)行安裝，也支持黏合式安裝，因此非常易于使用。除了應(yīng)用于協(xié)作機(jī)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(shè)備、家電和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。
協(xié)作機(jī)器人的柔性交互
對于協(xié)作機(jī)器人，很多人都熟知它是工作制造領(lǐng)域柔性生產(chǎn)的重要組成部分。面向未來，協(xié)作機(jī)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(jī)器人的碰撞檢測，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)也取得了長足進(jìn)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(jī)器人對于環(huán)境的了解還是半自適應(yīng)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(jī)器人為了避免碰撞，基本采取直接停止工作的方式應(yīng)對，和我們理想中的人機(jī)協(xié)作還有差距。為了進(jìn)一步提升柔性交互的體驗，感知能力、學(xué)習(xí)能力等方面還需要精進(jìn)，需要更好的傳感器和算法支持。
未來的協(xié)作機(jī)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(jìn)的器件帶給大家，與行業(yè)和從業(yè)者共同成長。
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