一文讀懂：為什么碰撞檢測是協(xié)作機器人的底層技術(shù)

協(xié)作機器人

傳統工業(yè)機器人體積龐大且安全系數低，因為作業(yè)半徑內不允許有人。隨著(zhù)精密制造、柔性制造等動(dòng)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(chēng)為協(xié)作機器人。

協(xié)作機器人具有諸多優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)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(lèi)造成損傷。

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用于實(shí)現協(xié)作機器人碰撞檢測的方式已經(jīng)有很多，包括運動(dòng)學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等。當然，這些實(shí)現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

機器人的出現并非意在完全取代人類(lèi)，很多工作需要人類(lèi)和機器人相互合作來(lái)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(lèi)在工作中進(jìn)行互動(dòng)和協(xié)作，以提升工作效率和安全性。

在一個(gè)工作場(chǎng)景下，協(xié)作機器人與人類(lèi)直接合作，因此安全性問(wèn)題怎么強調都不為過(guò)。為了保障人機協(xié)作的安全性，業(yè)界制定了諸多相關(guān)的法規和標準，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(wèn)題。

圖1：碰撞檢測位于協(xié)作機器人設計邏輯的底層

（圖源：節卡機器人）

同時(shí)，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(lèi)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(jìn)行快速可靠的檢測。

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

01

預碰撞檢測

在一個(gè)工作環(huán)境里部署協(xié)作機器人時(shí)，設計者希望這些機器人能夠像人類(lèi)一樣熟知環(huán)境，規劃自己的移動(dòng)路徑。為了達到這一點(diǎn)，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(shí)停止運行，人離開(kāi)時(shí)立即恢復。

02

碰撞檢測

這就是一個(gè)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(wèn)題，設計者會(huì )為協(xié)作機器人設定一個(gè)閾值。這個(gè)閾值的設定是非?？季康?，既要保證不能頻繁觸發(fā)，同時(shí)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(gè)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

當系統確認碰撞發(fā)生之后，需要確認具體的碰撞點(diǎn)或者是碰撞關(guān)節。此時(shí)實(shí)施隔離目的就是讓這個(gè)碰撞的部位停下來(lái)。傳統機器人的碰撞隔離通過(guò)外部護欄來(lái)實(shí)現，協(xié)作機器人由于處于開(kāi)放空間，因此就需要通過(guò)算法和反向加速度來(lái)實(shí)現。

04

碰撞識別

此時(shí)協(xié)作機器人已經(jīng)確認發(fā)生了碰撞，相關(guān)變量已經(jīng)超出了閾值。這時(shí)候機器人上的處理器需要根據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(shí)協(xié)作機器人將停機等待人類(lèi)處理。

可以說(shuō)碰撞檢測是協(xié)作機器人實(shí)現自我感知非常重要的主張，為協(xié)作機器人的大規模應用和進(jìn)入更廣泛的場(chǎng)景提供了可能。在不同的碰撞環(huán)節，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，系統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(shí)現的路線(xiàn)有很多，比如基于視覺(jué)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(shí)間知曉碰撞點(diǎn)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(shí)發(fā)揮作用。常見(jiàn)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(kāi)關(guān)式碰撞傳感器等。

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

圖2：機械臂保護系統框圖

（圖源：ATI）

如果你已經(jīng)迫不及待想要實(shí)現一款具有高度安全性的協(xié)作機器人，下面這兩款貿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(kāi)說(shuō)一下三軸數字加速度計。

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

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

圖3：KX132-1211三軸數字加速度計

（圖源：貿澤電子）

KX134和KX132三軸數字加速度計是兩款硅微機械加速度計，具有用戶(hù)可配置的3級高級數據路徑(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：KX132-1211三軸數字加速度計功能框圖

（圖源：ROHM Semiconductor）

圖5：KX132-1211三軸數字加速度計啟動(dòng)時(shí)間框圖

（圖源：ROHM Semiconductor）

KX134和KX132三軸數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(gè)溫度范圍內降低了噪聲并改善了線(xiàn)性度。

在精度方面，KX134-1211用戶(hù)可配置的g值范圍可達±64g，輸出數據傳輸速率可達25600Hz；KX132-1211用戶(hù)可配置的g值范圍可達±16g，輸出數據傳輸速率可達25600Hz 。兩款三軸數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KX132三軸數字加速度計還具有出色的耐熱性能和耐沖擊能力，并內置穩壓器，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(guò)磁性材料的磁性特性來(lái)檢測磁場(chǎng)的變化，并將其轉換成電信號輸出，實(shí)現對物理量的測量。作為磁力式碰撞傳感器的一種，應用于協(xié)作機器人上時(shí)，磁簧傳感器更多是用于限位和安全訪(fǎng)問(wèn)。

接下來(lái)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(lái)自制造商Littelfuse，貿澤電子官網(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(chǎng)上類(lèi)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(guò)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(kāi)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計支持可定制，具有絕佳的可調節性，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(jìn)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(fǎng)問(wèn)控制，這些法蘭安裝式磁簧傳感器也可用于工廠(chǎng)自動(dòng)化、加工設備、家電和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)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(lǐng)域柔性生產(chǎn)的重要組成部分。面向未來(lái)，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，現階段產(chǎn)業(yè)也取得了長(cháng)足進(jìn)步。不過(guò)，從用戶(hù)的角度來(lái)看，這明顯還不夠。

在部署時(shí)，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(lèi)操作其在工作空間內巡航至少一次才能夠對路線(xiàn)有大致理解。在和人類(lèi)交互時(shí)，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(jìn)一步提升柔性交互的體驗，感知能力、學(xué)習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(lái)的協(xié)作機器人必將會(huì )更加智能、靈活、多功能和人性化，貿澤電子也將持續將先進(jìn)的器件帶給大家，與行業(yè)和從業(yè)者共同成長(cháng)。

相關(guān)技術(shù)資源

ROHM Semiconductor 三軸數字加速度計，了解詳情>>

Littelfuse 59155和59156法蘭安裝件，了解詳情>>

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