由触摸到感知

接触传感技术为机械和工作界面带来了类似人类的灵敏度

传统上,工业机器人和定位设备通过遵照编程的x-y-z坐标固定路线执行各自任务。它们有些能根据接触、近距和视觉传感器的输出对设定程序进行增加或修改,从而本质上适应变化和变量。那么,近距传感器无法提供足够准确度,视觉传感器无法可视需要采取的行动时又该如何作业?

“经典案例是在一个孔内放入一根销钉”,密歇根州利沃尼亚福特汽车(www.ford.com)技术专家Dave Gavel说道“采用位置控制,任何位置未对准都将导致机器人卡壳。假如在行星齿轮组中安装太阳齿轮,各零件位置未知或由于堆叠误差超过余隙使得位置不准,便只能进行盲目搜索。”

就像人在黑暗环境中寻找电灯开关一样,机器人能运用当今的触摸技术进行盲目搜索,缓缓将齿轮箱等重型零件进行精确装配。“触摸传感能够感知到制造零件的表面甚至是材质,因此材料处理变得更加智能和精确。”纽约Glenville Applied Robotics公司(www. appliedrobotics.com)应用工程师Henry Loos, Jr.解释说。

接触也能使机械在无需粉碎精细部件的情况下对其进行处理,有效拾起柔软或各种形态的物体,且与人工近距离配合作业时产生伤害的风险极小。作为对完美安卓机器人永不停步追求的一部分,新兴技术承诺能为机械在对所接触材料的硬度、材质和温度进行评估和适应变量调整时赋予类似人类的能力。

福特依赖力控技术

目前的顶尖触摸应用“典型的应用为六自由度,力矩传感器安装于工具法兰或换刀零件上,且通过模拟/数字控制箱与机器人控制器相连”,ABB 机器人北美技术公司技术支持部经理Nick Hunt介绍说:“尽管也有其它办法获取六个输入,但这是标准方法。” 在美国,ABB对ATI(www.ati-ia.com)的力矩转换器进行标准化处理。

ABB近期推出了整合力控技术,对之前仅能用于公司机械加工或装配力控产品离散的软件性能进行了巩固。从前,需要灵活处理零件和工具的机械加工和微型零件装配等复杂任务,只有技术人员和先进的刚性自动化才能完成,而这一模块使自动完成复杂任务成为可能。Hunt说这一技术能大幅减轻机器人编程人员处理复杂且几何形状多变的零件时经受的压力。

Caption:力控技术保护工具
图1:利用力控技术,发现较大毛刺时,机器人能自动执行铸件去毛刺作业,通过数个程序弱化并磨削毛刺,而无需造成机械超载。

“无论你购买我们的技术,或是利用我们的核心自创技术,力控的精髓在于机器人能对四周进行感知”,Hunt继续说:“该技术让机器人适应应用,而非让应用来配合机器人。”

“比如,在图1的铸件去毛刺作业中,机器人将粗糙的铸件磨削或铣削成指定的轮廓。“如果机器人是硬连线的,当它遭遇较大毛刺时很难进行理想磨削。对机器人、工具、磨具电机和零件来说都是灾难。”

力控技术使用户能够轻易进行轮廓编程。作业过程中,您可手动对机器人进行调整——设定一点,移动机器人,设定一点——让机器人理解零件轮廓。然后便可进入自动化的测试和操作。“现在当机器人遭遇毛刺时,它便减速——您来指定力度,”Hunt补充说:“若毛刺很大,您便可设定数道磨削过程。设想将其编程为直线机器人程序,这是一个非常复杂的程序。”

在福特公司的变矩器装配线上,“人工进行三个垂直安装时我们曾面临过人体工程学问题——用花键将轮毂与涡轮相连、单向离合连入变矩器、叶轮连入泵——因为它们都是对惯性较大的重型零件进行盲目搜索。” Gravel解释说:“由于叶轮的配件与其呈180°分离,因此对它进行装配最为困难。”

他还补充,利用力控技术,装配机器人便能运用非常小的力量并进行振荡运动。零件下落后, 机器人知晓它已就位,便继续操作。

“我们设法将与侧壁的接触降至最少,避免损伤脆弱的密封和表面”,Gravel又说:“我们必须在中间位置小心保持,而变矩器是板材装置,抓钳并不一定完全位于中心。因此我们将水平力指令设定为零,机器人不再进行接触。随后通过手指推动指导机器人作业。这一过程无法编程,而力控技术却可以实现。”

利用外部力矩传感器,带有三个力传感器和三个扭矩传感器的工具构架,将相关读数回传至基架,你随时都知道如何控制机器人移动。Gravel说:“我们能本质上将机器人视作虚拟的弹簧-质量-阻尼系统操作,并控制力量、振荡周期和震级。”

触觉传感器增加灵敏度

“力控问题常使机器人夹钳备受挑战” Loos说:“过去,夹钳要么张开,要么闭合,而对于零件施与的力量一致。随着伺服夹钳的诞生,调整抓夹力度也成为可能。触摸传感技术让我们能够完成循环过程并直接对零件表面和所受力量进行传感。”

应用机器人学运用压电传感原理不断发展。“它的优势在于,无需对一系列的初期和力控配置文件预编程,便能开发出严格控制施加于各种尺寸和形状的精密零件上力量的抓钳,” Loos继续说:“而主要的缺点在于智能力传感时,实现抓夹操作需要更强的处理电力和更短的时间。”他表示现代处理器中的电能完全能超越这一限制。

哈佛大学工程与应用科学生物机器人实验室博士后研究人员、TakkTile  (www.takktile.com)创办人之一的Yaroslav Tenzer博士解释到“触摸传感能提供机械与物体之间力量的信息”。现有的触觉技术难以度身定制,脆弱且昂贵,因此它的使用局限于实验室内,但当前技术正逐步完善,足够成熟的用于工厂应用。

Tenzer解释说“因此便可识别接触位置,并在需要时校正抓钳的运动。终于,触摸传感使得在操作过程中测量并保持施加于物体的抓力成为可能。”

Tenzer 与TakkTile 创办人之一、哈佛生物机器人实验室TakkTile博士共同以商业形式开发触摸传感器,这些传感器中采用了普遍用于手机和GPS设备中的微型空压敏感数字气压计。真空密封于弹性化合物内,并安装于抓钳上(图2),传感器能探测到机器人施于被抓物体的力量大小。弹性体提供牵引力,并能将表面的压力传递给传感器,起到保传感器的作用,它能承受最大25 lb (11 kg)的直接压力和锤头与棒球棒的击打。运行时,传感器所能探测到的最小力量为1克。

Caption:传感器允许校准的抓钳
图2:嵌在弹性体内的压力传感器能探测到抓钳施加于抓取对象的压力大小。弹性体提供牵引力,并能将表面的压力传递给传感器,起到保护传感器的作用。

“目前的机器人需要繁杂的设置,而工业机械日渐智能,” Jentoft说:“这边意味着提升机器人功能的同时还能缩短设置时间。比如,接触物体的抓钳时闭合,系统能识别是否已抓紧并自动验证厚度。”

缩短的设置时间还有助于使用机器人在注射成型等应用中执行短期生产。“工业机器人,如Rethink 或 Universal Robotics的机器人,必定是触觉传感技术的第一受益者,”他又说:“通过感应操作或压缩产品所需的力量,本技术也能在定义产品特性,如开关、按钮和烘焙商品方面发挥作用。”

广泛应用触觉技术不仅需要进一步开发传感器,也必须不断开发使用传感器数据的软件和控件。TakkTile采用简化整合工业控制器的数字界面。

开发触摸应用时,需考虑多重因素,包括力量和敏感度范围、空间限制和制造过程等。

 “ TakkTile传感器从现成的元件中开发而成,它们高度的定制化能满足各种形状和类型要求。” Tenzer解释:“它们同样耐用和高度灵敏。”

在发动机装配线上安装活塞环时,现采用传感器对抓取力量进行更好的控制。“避免在某些零件未对齐时造成损坏。”他补充道。

赋予机器人类的触觉

世界各地正不断研究开发能让机器人模仿人类通过触摸感应温度、压力和湿度的技术。LiveScience. Com报道的海法以色列理工学院(www. technion.ac.il)的一篇论文中举例说,使覆盖有机连接分子(称为配体)的金纳米粒子融入常用于制造水瓶的塑料表面。当塑料受压时,纳米粒子间的距离发生改变,电阻随即改变。温度和湿度也会对纳米粒子间的距离产生影响。“通过结合软硬件操作,分离湿度、温度和触摸各自的数值——使传感器达到三合一的作用。”报道对学院化学工程与纳米技术Hossam Haick教授进行了研究。Haick教授表示,与其它设计相比,本设备拥有10倍近似于人类皮肤对环境的感知度。

改变塑料表面的厚度和材质使研究员能控制传感器的灵敏度。改变塑料的性能参数能对更大范围负载进行测量(小到数十毫克,大至数十克)。

正如它们过人的优势,耐久和精确性,传感器根据机械/工具界面性能和力量进行感知和控制运动的能力扩展了机器人、材料处理和装配设备的潜在应用。它们的进步也使得机器人编程更加简易,工作更为安全,以便配合目前还无法完全取代但逐步减少的工厂工人共同作业。

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