何為碰撞檢測?帶你一探究竟

[ 發布日期:2022-09-01 ] 來源: 【打印此文】 【關閉窗口】

工業機器人大多按照固定程序進行點位移動,在工業機器人的發展歷史中,由于操作不當或者是不遵循機器人操作規范導致的意外并不少見。早在1979年,美國密歇根的福特制造廠,有位工人在夜間試圖從倉庫取回一些零件而選擇跨越機器人作業區間被機器人殺死。在這件事過去后一段時間的1981年5月,同樣是在日本,山梨縣閥門加工廠的一個工人,由于調整機器不遵守安全準則,在機器人安全范圍內進行調試時,處于停止狀態的機器人突然動作起來抓住他旋轉,導致頭和胸部嚴重受傷而死亡。而在幾年前也有類似案例,在2018年9月10日,安徽省蕪湖市經濟開發區一名工人在給搬運機器人換刀具時,突然被機器人夾住,隨后因傷勢太重在醫院不治身亡。


當然,這種機器人傷人的悲劇新聞一直不乏有勢力或個人借機炒作,以達成自己的目的。無論是炒作還是真實的問題,從這些“機器人殺人”事件的正向作用來看,在安全事故發生后,機器人企業開始愈發重視機器人的作業安全問題。由于與人工作業相比,工業機器人作業雖然具有平穩度高、速度快、更精準等優勢,但這對于脆弱的人體來說傷害巨大。由此看來,研究人機協作的安全技術意義重大,碰撞檢測功能是機器人不可或缺的一部分。


隨著機器人應用范圍日益增大,人們對機器人的要求也越來越高,尤其在機器人安全性能方面。最初研制的機器人只能完成一些簡單的重復任務,不具備人機交互能力;隨著技術的高速發展,機器人趨于智能化,能夠完成更加復雜的任務,例如裝配、打磨、焊接等。


傳統的工業機器人并未配備適當的安全和碰撞檢測系統。因此,為保證機器的安全運行,往往要求配備防護欄,用于保證機器人運行時與人隔離。但是隨著技術發展,機器人開始承擔越來越復雜的任務。這些任務往往要求工作人員即時介入,因而使得如何實現安全的人機交互成為至關重要的問題。為保證安全,控制器需要實時檢測機器人與工作人員之間是否存在碰撞,并通過相應的控制策略保證碰撞不至于傷害工作人員。


目前,碰撞檢測方案主要有以下幾種:


1、采用腕力傳感器來檢測碰撞:該方法可以精確檢測手抓末端的碰撞力,但無法檢測機器人其它部位的碰撞,故而檢測范圍受限,一般應用于磨削力、裝配力等手抓末端碰撞力的檢測。

2、采用力/力矩傳感器來檢測碰撞:機器人每個關節都裝有力/力矩傳感器,可以精準的檢測外力,但是力/力矩傳感器價格昂貴,該方法成本太高,無法普及。

3、采用感知皮膚來檢測碰撞:該方法將感知皮膚覆蓋在機器人全身,可檢測到任意部位的碰撞。但缺點在于,布線比較復雜,抗干擾能力較差,且極大的增加了處理器的運算量。凡是使用外部傳感器檢測碰撞或碰撞力的方法,都不可避免的導致系統成本和復雜程度的大幅上升。

4、采用電機的電流或者反饋的力矩來檢測碰撞:這是一種能夠廣泛應用于各種工業機器人的方案,無需額外添加傳感器,且檢測范圍能夠覆蓋機器人的整個表面。


綜上,前兩種方法均在不同程度上具有局限性,第一種方法檢測范圍受限,第二種方法成本太高,第三種方法布線復雜,而第四種方法則完美解決了前三者的不足。四種方法,高下立判。


機器人控制系統的防碰撞試驗


考慮到工業機器人的實際工作場景和性能需求,華成工控機器人控制器采用的碰撞檢測方案便是上述第四種方法,建立機器人精確的動力學模型,實時跟蹤機器人電機反饋的實際力矩,當機器人發生碰撞時實際力矩會發生較大突變,而模型反映的是機器人正常運行時的力矩表現,因此兩者就會形成較大的力矩差即觀測外力,以此作為碰撞檢測的信號。該方法基于精確的辯識模型,可檢測碰撞力小,靈敏度可調節范圍大,不僅提高了人機交互的安全性和機器人本身的安全性,也從某種程度上提高了機器人的耐用度,同時延長其使用壽命。


機器人碰撞檢測后的控制策略主要有三種:

1、機器人碰撞后立即停止運行,待進入安全狀態下后繼續運行;

2、機器人碰撞后立即向反方向反彈小段距離;

3、機器人進入只補償重力的拖動示教模式。

三種方法都可以保證人機交互或者機器人的安全,客戶可以根據自己的需求設定相應的控制策略。

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