詳解協(xié)作機(jī)器人伺服、傳感器核心器件

　　協(xié)作機(jī)器人近幾年才開始獲得廣泛關(guān)注，但實際上協(xié)作機(jī)器人的概念首次提出是在上世紀(jì)90年代。協(xié)作機(jī)器人作為新興的、備受關(guān)注的機(jī)器人種類，其具備很多優(yōu)點，概括起來有主要四個：安全、低成本、靈活性以及易于上手的使用方法。

　　據(jù)預(yù)測，協(xié)作機(jī)器人從2015年到2020年會增長十倍，市值從2014年的9500萬美元漲到10億美元，而輕量級機(jī)器人會在兩年內(nèi)大受歡迎，價格降到1.5到2萬美元。分析公司TechNavio預(yù)計，到2019年全球協(xié)作機(jī)器人高值的年復(fù)合增長率會是50.88%。

　　三大代表——日系、歐系和國產(chǎn)

　　市場上在人機(jī)協(xié)作安全設(shè)置的方法上普遍存在這兩個問題：一是為保護(hù)人身安全需要設(shè)置安全光柵，加大了設(shè)備及成本投入；二是操作復(fù)雜，不熟練操作的人員無法操控機(jī)器人。為此，安川電機(jī)推出具有“設(shè)置后立刻使用”“安全便捷”特點的MOTOMAN-HC10。所有軸都配備有力覺傳感器，一監(jiān)測到與人體觸碰，就會自動停止工作。機(jī)器外臂裹著用來吸收碰撞的藍(lán)色柔軟材，完全可以實現(xiàn)HC10與人同一空間內(nèi)工作，不需要安全柵，節(jié)省成本。

　　提及歐系代表，優(yōu)傲機(jī)器人當(dāng)仁不讓。UR5可以說是世界上第一臺協(xié)作機(jī)器人，2009年就已經(jīng)面世。僅通過聲音、手勢、圖形就能夠理解人類指令；人機(jī)協(xié)作不需要遮擋物也能安全生產(chǎn)，具備超強(qiáng)的人類感知性能；模塊化插頭和生產(chǎn)部件，三天就可部署的集成機(jī)器人系統(tǒng)。

　　工業(yè)機(jī)器人的靈活性是由什么因素決定的？眾所周知，最重要因素就是軸數(shù)。機(jī)器人軸的數(shù)量決定了其自由度，自由度越高機(jī)器人就越接近人手的動作機(jī)能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機(jī)器人的整體要求就越高，這是機(jī)器人設(shè)計中的一個矛盾。新松機(jī)器人設(shè)計的這款7軸柔性多關(guān)節(jié)機(jī)器人，可以說是國內(nèi)首臺7自由度協(xié)作機(jī)器人，具備快速配置、牽引示教、視覺引導(dǎo)、碰撞檢測等功能。如果在一個狹小的空間內(nèi)工作，而且需要機(jī)械臂反復(fù)扭曲反轉(zhuǎn)，這七軸的機(jī)器人會是很好的選擇。

　　終極奧義——協(xié)作機(jī)器人的產(chǎn)品界定

　　靈活性：相比傳統(tǒng)大型生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人需要和人類協(xié)作，結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)該更輕巧、更柔性，可操控的空間更大。

　　易用性：協(xié)作機(jī)器人強(qiáng)調(diào)易用性，例如可以通過手勢，由可傳感設(shè)備來跟隨，降低使用門檻，一線工人可能只需要幾個小時就會操作，免去傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人復(fù)雜的編程和配置。

　　安全性：協(xié)作機(jī)器人主要用于人機(jī)協(xié)作，和人類一起工作，必須保證安全，不能因為意外傷害到人類。這對協(xié)作機(jī)器人的感知、控制都要求很高。

　　成本低：協(xié)作機(jī)器人面向中小企業(yè)，盡可能低的成本是非常重要，但往往成本低性能也會隨之降低，如果在控制成本的同時提高性能，是相對較難的。

　　不可或缺——伺服和傳感器

　　協(xié)作機(jī)器人要具備以上4個特點，就必須要有感知、控制和限制力矩的能力。通過感知外部極小的力矩變化并做出反應(yīng)避免碰撞，讓人機(jī)協(xié)作過程更輕松、安全。

　　超小型、功能強(qiáng)大的伺服驅(qū)動器

　　一個驅(qū)動器物理尺寸足夠小到能直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，保證了機(jī)器人尺寸小巧結(jié)構(gòu)緊湊。伺服驅(qū)動器直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，把驅(qū)動器放置在離編碼器反饋足夠近的地方可以節(jié)省電纜，能減少干擾影響，獲得比較低的EMI和RFI指標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提升。另一個讓驅(qū)動器更易集成進(jìn)關(guān)節(jié)的特性是驅(qū)動器固有的堅固性，可以承受關(guān)節(jié)內(nèi)極高的機(jī)械加減速度。

　　雙閉環(huán)控制算法

　　雙閉環(huán)控制算法可以提升伺服電機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。系統(tǒng)里的每個軸采用雙閉環(huán)控制算法來提高減速機(jī)后端關(guān)節(jié)末端位置的定位精度。增量式編碼器和Hall元件作為速度環(huán)反饋置于減速箱前端，19位高分辨率絕對值編碼器作為負(fù)載末端位置反饋。

　　運動冗余

　　運動學(xué)冗余對于在一個特定的空間內(nèi)操作幾個機(jī)器人是很有用處的，因為運動干涉很容易處理。六個自由度是具有完成空間定位能力的最小自由度數(shù)，多于六軸的機(jī)器人，統(tǒng)一稱為冗余自由度機(jī)器人。與傳統(tǒng)的6關(guān)節(jié)機(jī)器人相比，7關(guān)節(jié)機(jī)器人可以以多角度伸展機(jī)械臂接近一個特定的原件。冗余自由度機(jī)器人在避障、克服奇異點、靈活性和容錯性方面具有更多的優(yōu)勢，因此在復(fù)雜的工作環(huán)境中冗余自由度的工業(yè)機(jī)器人將擁有更多的用武之地。

　　力矩傳感器

　　在人機(jī)協(xié)作的環(huán)境中，這些機(jī)器人被安排去完成高速、高精度的任務(wù)。使用相機(jī)、力傳感器和其他感知元件，機(jī)器人可以感知到人存在并做出相應(yīng)動作避免對人造成傷害。某些情況下，力矩傳感器被放置在電機(jī)減速箱的后面來直接檢測外部力矩的任何快速增加的變化；而其他時候，機(jī)器人需要輸出一定扭矩去提升負(fù)載和把負(fù)載從一個位置移動到另一個位置。當(dāng)機(jī)器人識別出運動過程中一個異常扭矩增加值，如碰撞，會自動停下來。

　　安全傳感器

　　要想讓工業(yè)機(jī)器人與人進(jìn)行協(xié)作，首先要找出可以保證作業(yè)人員安全的方法。這些傳感器有各種形式，從攝像頭到激光等，目的只有一個，就是告訴機(jī)器人周圍的狀況。最簡單的例子就是電梯門上的激光安全傳感器。當(dāng)激光檢測障礙物時，門會立即停止閉合并回縮，以避免碰撞。在機(jī)器人行業(yè)里的大多數(shù)安全傳感器也差不多是這樣。

　　零件檢測傳感器

　　在零件拾取應(yīng)用中，（假設(shè)沒有視覺系統(tǒng)），你無法知道機(jī)器人抓手是否正確抓取了零件。而零件檢測應(yīng)用可以為你提供抓手位置的反饋。例如，如果抓手漏掉了一個零件，系統(tǒng)會檢測到這個錯誤，并重復(fù)操作一次，以確保零件被正確抓取。