柔性協(xié)作機(jī)器人技術(shù)，即是在機(jī)器人的應(yīng)用過程中，解決機(jī)器人與環(huán)境接觸交互問題的有效解決方案。而在和人類頻繁交互的應(yīng)用場合，為了提高機(jī)器人使用的安全性與智能性，柔性協(xié)作機(jī)器人應(yīng)運而生。
機(jī)器人大講堂直播間057期
隨著機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周在不斷地擴(kuò)大，近些年更是隨著人力資源的短缺，在餐飲、養(yǎng)老和醫(yī)療康復(fù)等新興領(lǐng)域?qū)C(jī)器人應(yīng)用的需求也迅速提高。而在上述需要和人類頻繁交互的應(yīng)用場合，為了提高機(jī)器人使用的安全性與智能性，柔性協(xié)作機(jī)器人應(yīng)運而生。
柔性協(xié)作機(jī)器人是通過在機(jī)器人本體上增加豐富的力與視覺傳感器，使原來示教-執(zhí)行的開環(huán)執(zhí)行過程，變?yōu)槟軌蚺c環(huán)境動態(tài)交互的智能閉環(huán)執(zhí)行過程，以達(dá)到與環(huán)境和人安全、準(zhǔn)確交互的目的。
我們特邀珞石機(jī)器人研發(fā)中心系統(tǒng)工程師任賾宇博士做客機(jī)器人大講堂直播間，為大家分享協(xié)作機(jī)械臂的設(shè)計解析及應(yīng)用。
01
協(xié)作機(jī)械臂及其關(guān)節(jié)的設(shè)計
在分享關(guān)節(jié)&臂的設(shè)計之前，我們先對前面幾款典型協(xié)作機(jī)械臂關(guān)節(jié)&臂的特性進(jìn)行一個總結(jié)：
1、類UR關(guān)節(jié)
在UR的關(guān)節(jié)中，從左到右依次是輸出法蘭、諧波減速器和用于中空走線的中空套筒;UR關(guān)節(jié)一個很大的特點是將無框力矩電機(jī)的外殼與輸出連桿做成了一體;再往后是無框力矩電機(jī)和高低速的雙編碼器，它的測量原理是把輸出端的低速通過中間的傳動軸傳到電機(jī)的尾部，然后在電機(jī)的尾部和電機(jī)的高速端一起做高低速的位置測量，這樣有較好的集成性;最后是整體關(guān)節(jié)的驅(qū)動器位于高低編碼器的尾段，然后是插針式抱閘，基于此原理的抱閘會造成制動后在電機(jī)端存在一個約60°角的晃動，即使說通過一個高減速比諧波減速器，在末端仍然會有比較大的偏差。
2、KUKA-iiwa關(guān)節(jié)
KUKA-iiwa關(guān)節(jié)最左端是類似杯狀的力矩傳感器，因為較薄的外壁導(dǎo)致其成本控制相對較難，然后是輸出端的編碼器，不同于UR，iiwa就是將編碼器置于輸出端進(jìn)行測量;接下來是用于徑向抗彎支撐的交叉滾子軸承和諧波減速器;再接著是電機(jī)模塊，其包含了無框力矩電機(jī)+電機(jī)端編碼器+抱閘，集成度是非常高的，且用了緊湊型側(cè)向讀數(shù)頭;緊接著是關(guān)節(jié)的功率轉(zhuǎn)換板、電機(jī)控制板和電源板，最后是用于散熱處理的風(fēng)扇，末端是外殼連桿。
3、類Sawyer關(guān)節(jié)
Sawyer關(guān)節(jié)與UR5和庫卡最大的不同是在諧波減速器后集成了一個彈性體編碼器，其通過測量兩個端面的偏角再乘以抗扭截面系數(shù)得到關(guān)節(jié)的力矩，其中這個偏角是通過磁環(huán)+編碼器的方式獲得。這種方式致使關(guān)節(jié)的整體高剛度、低成本實現(xiàn)、力矩高測量精度這三個性能不能兼得。
4、珞石GIA
在做協(xié)作機(jī)器人前先做關(guān)節(jié)是因為伺服關(guān)節(jié)的力控性能是協(xié)作機(jī)械臂整體力控表現(xiàn)的基礎(chǔ)，從測試的結(jié)果來看，關(guān)節(jié)力控難點體現(xiàn)在三方面：一是對諧波減速器傳動特性引起的紋波的抑制;二是因引入諧波減速器的摩擦力精確建模與補償;三是對基于應(yīng)變片的力矩傳感器噪聲與對稱性的處理。
那么接下來是對典型協(xié)作機(jī)械臂整機(jī)設(shè)計小結(jié)：
02
協(xié)作機(jī)械臂的當(dāng)前應(yīng)用
經(jīng)過諸多協(xié)作機(jī)器人廠商的嘗試與推廣，當(dāng)前協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在工業(yè)場景、科研場景、醫(yī)療場景與商業(yè)場景等領(lǐng)域，針對每個場景的具體應(yīng)用demo可參見如下：
工業(yè)場景
科研場景
醫(yī)療場景
商業(yè)場景
03
協(xié)作機(jī)械臂的未來發(fā)展
未來協(xié)作機(jī)器人在本體設(shè)計方面的設(shè)計發(fā)展趨勢，主要還是關(guān)注緊湊化、潔凈度與提高負(fù)載自重比等，總體來說，協(xié)作機(jī)器人在本體設(shè)計與控制方面，原理性的技術(shù)都已經(jīng)相對成熟，當(dāng)前更多的精力可能還需要聚焦于產(chǎn)品的定位、提高產(chǎn)品可靠性與降低價格等：
而在應(yīng)用場景的發(fā)展上，協(xié)作機(jī)器人以“更輕、更安全、更好用”的底層邏輯是正確的，但量大的剛需場景仍在探索中，下圖是一些可能會需要應(yīng)用到協(xié)作機(jī)器人的場合，供大家參考：
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