工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)應(yīng)用之碰撞測(cè)試

隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍增大，人們對(duì)機(jī)器人的要求也越來越高，尤其在機(jī)器人安全性能方面。最初研制的機(jī)器人只能完成一些簡單的重復(fù)任務(wù)，不具備人機(jī)交互能力；隨著技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器人趨于智能化，能夠完成更加復(fù)雜的任務(wù)，例如噴涂、裝配、鉆孔等。
　　傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人并未配備適當(dāng)?shù)陌踩团鲎?a target='_blank' class='arckwlink_none'>檢測(cè)系統(tǒng)。因此，為保證機(jī)器的安全運(yùn)行，往往要求配備防護(hù)欄，用于保證運(yùn)行時(shí)與人隔離。
　　但是隨著技術(shù)發(fā)展，機(jī)器人開始承擔(dān)越來越復(fù)雜的任務(wù)。這些任務(wù)往往要求工作人員即時(shí)介入，因而使得如何實(shí)現(xiàn)安全的人機(jī)交互成為至關(guān)重要的問題。為保證安全，控制器需要實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人與工作人員之間是否存在碰撞，并通過相應(yīng)的控制策略保證碰撞不至于傷害工作人員。
　　
　　當(dāng)前，大多數(shù)檢測(cè)碰撞或碰撞力都是通過添加外部傳感器實(shí)現(xiàn)的。
　　1．采用腕力傳感器來檢測(cè)碰撞：該方法可以精確檢測(cè)手抓末端的碰撞力，但無法檢測(cè)機(jī)器人其它部位的碰撞，故而檢測(cè)范圍受限，一般應(yīng)用于磨削力、裝配力等手抓末端碰撞力的檢測(cè)。
　　2．采用感知皮膚來檢測(cè)碰撞：該方法將感知皮膚覆蓋在機(jī)器人全身，可檢測(cè)到任意部位的碰撞。但缺點(diǎn)在于，布線比較復(fù)雜，抗干擾能力較差，且極大的增加了處理器的運(yùn)算量。凡是使用外部傳感器檢測(cè)碰撞或碰撞力的方法，都不可避免的導(dǎo)致系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度的大幅上升。
　　3．采用電機(jī)的電流或者反饋的力矩來檢測(cè)碰撞：這是一種能夠廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)器人的方案，無需額外添加傳感器，且檢測(cè)范圍能夠覆蓋機(jī)器人的整個(gè)表面。
　　綜上，前兩種方法均在不同程度上具有局限性，第一種方法檢測(cè)范圍受限，第二種方法布線復(fù)雜，而第三種方法則完美解決了前兩者的不足。三種方法，高下立判。
　　考慮到工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際工作情況和性能要求，即利用機(jī)器人自身傳感器來檢測(cè)碰撞。
　　
　　實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)的流程為，通過驅(qū)動(dòng)讀取當(dāng)前機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置、速度和加速度，再將對(duì)應(yīng)的參數(shù)代入下式：
　　
　　其中
　　
　　公式中τidm的是通過逆動(dòng)力學(xué)算得的電機(jī)所需要的力矩，其計(jì)算公式包括慣性力項(xiàng)、 科里奧利力和離心力項(xiàng) 、重力項(xiàng)及摩擦力項(xiàng)。而當(dāng)中的摩擦力項(xiàng)根據(jù)選擇的摩擦力模型可分解為粘性摩擦力項(xiàng)、庫侖摩擦力項(xiàng)以及補(bǔ)償。
　　咋看之下，該過程類似于拖動(dòng)示教，但接下來對(duì)于理論力矩的使用就截然不同了。在碰撞檢測(cè)中，此理論力矩值將與通過驅(qū)動(dòng)讀取的實(shí)際力矩值進(jìn)行比對(duì)。如產(chǎn)生較大差值（即超出設(shè)定的臨界值），則可判斷為機(jī)器人遇到了障礙或發(fā)生了碰撞。
　　【總結(jié)】
　　碰撞觸發(fā)式的碰撞檢測(cè)技術(shù)，作為防碰撞技術(shù)的最后一道保障，確切關(guān)乎著使用者和機(jī)器人的安全。只有實(shí)現(xiàn)了這一技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在無人看管下依然能夠長時(shí)間持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的目標(biāo)。
　　通過利用電機(jī)的電流或反饋的力矩而實(shí)現(xiàn)的碰撞檢測(cè)，鄭州萬達(dá)科技機(jī)器人能夠在不額外添加傳感器的前提下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體各部分的碰撞檢測(cè)，這不但提高了人機(jī)交互的安全性和機(jī)器人本身的安全性，也從某種程度上提高了機(jī)器人的耐用度，同時(shí)延長其使用壽命。
?