詳解協作機器人伺服、傳感器核心器件

　　協作機器人近幾年才開始獲得廣泛關注，但實際上協作機器人的概念首次提出是在上世紀90年代。協作機器人作為新興的、備受關注的機器人種類，其具備很多優(yōu)點，概括起來有主要四個：安全、低成本、靈活性以及易于上手的使用方法。

　　據預測，協作機器人從2015年到2020年會增長十倍，市值從2014年的9500萬美元漲到10億美元，而輕量級機器人會在兩年內大受歡迎，價格降到1.5到2萬美元。分析公司TechNavio預計，到2019年全球協作機器人高值的年復合增長率會是50.88%。

　　三大代表——日系、歐系和國產

　　市場上在人機協作安全設置的方法上普遍存在這兩個問題：一是為保護人身安全需要設置安全光柵，加大了設備及成本投入；二是操作復雜，不熟練操作的人員無法操控機器人。為此，安川電機推出具有“設置后立刻使用”“安全便捷”特點的MOTOMAN-HC10。所有軸都配備有力覺傳感器，一監(jiān)測到與人體觸碰，就會自動停止工作。機器外臂裹著用來吸收碰撞的藍色柔軟材，完全可以實現HC10與人同一空間內工作，不需要安全柵，節(jié)省成本。

　　提及歐系代表，優(yōu)傲機器人當仁不讓。UR5可以說是世界上第一臺協作機器人，2009年就已經面世。僅通過聲音、手勢、圖形就能夠理解人類指令；人機協作不需要遮擋物也能安全生產，具備超強的人類感知性能；模塊化插頭和生產部件，三天就可部署的集成機器人系統。

　　工業(yè)機器人的靈活性是由什么因素決定的？眾所周知，最重要因素就是軸數。機器人軸的數量決定了其自由度，自由度越高機器人就越接近人手的動作機能，通用性就越好；但是自由度越多，結構越復雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設計中的一個矛盾。新松機器人設計的這款7軸柔性多關節(jié)機器人，可以說是國內首臺7自由度協作機器人，具備快速配置、牽引示教、視覺引導、碰撞檢測等功能。如果在一個狹小的空間內工作，而且需要機械臂反復扭曲反轉，這七軸的機器人會是很好的選擇。

　　終極奧義——協作機器人的產品界定

　　靈活性：相比傳統大型生產線上的工業(yè)機器人，協作機器人需要和人類協作，結構尺寸應該更輕巧、更柔性，可操控的空間更大。

　　易用性：協作機器人強調易用性，例如可以通過手勢，由可傳感設備來跟隨，降低使用門檻，一線工人可能只需要幾個小時就會操作，免去傳統工業(yè)機器人復雜的編程和配置。

　　安全性：協作機器人主要用于人機協作，和人類一起工作，必須保證安全，不能因為意外傷害到人類。這對協作機器人的感知、控制都要求很高。

　　成本低：協作機器人面向中小企業(yè)，盡可能低的成本是非常重要，但往往成本低性能也會隨之降低，如果在控制成本的同時提高性能，是相對較難的。

　　不可或缺——伺服和傳感器

　　協作機器人要具備以上4個特點，就必須要有感知、控制和限制力矩的能力。通過感知外部極小的力矩變化并做出反應避免碰撞，讓人機協作過程更輕松、安全。

　　超小型、功能強大的伺服驅動器

　　一個驅動器物理尺寸足夠小到能直接安裝在機器人關節(jié)上，保證了機器人尺寸小巧結構緊湊。伺服驅動器直接安裝在機器人關節(jié)上，把驅動器放置在離編碼器反饋足夠近的地方可以節(jié)省電纜，能減少干擾影響，獲得比較低的EMI和RFI指標，系統穩(wěn)定性大大提升。另一個讓驅動器更易集成進關節(jié)的特性是驅動器固有的堅固性，可以承受關節(jié)內極高的機械加減速度。

　　雙閉環(huán)控制算法

　　雙閉環(huán)控制算法可以提升伺服電機性能達到最優(yōu)狀態(tài)。系統里的每個軸采用雙閉環(huán)控制算法來提高減速機后端關節(jié)末端位置的定位精度。增量式編碼器和Hall元件作為速度環(huán)反饋置于減速箱前端，19位高分辨率絕對值編碼器作為負載末端位置反饋。

　　運動冗余

　　運動學冗余對于在一個特定的空間內操作幾個機器人是很有用處的，因為運動干涉很容易處理。六個自由度是具有完成空間定位能力的最小自由度數，多于六軸的機器人，統一稱為冗余自由度機器人。與傳統的6關節(jié)機器人相比，7關節(jié)機器人可以以多角度伸展機械臂接近一個特定的原件。冗余自由度機器人在避障、克服奇異點、靈活性和容錯性方面具有更多的優(yōu)勢，因此在復雜的工作環(huán)境中冗余自由度的工業(yè)機器人將擁有更多的用武之地。

　　力矩傳感器

　　在人機協作的環(huán)境中，這些機器人被安排去完成高速、高精度的任務。使用相機、力傳感器和其他感知元件，機器人可以感知到人存在并做出相應動作避免對人造成傷害。某些情況下，力矩傳感器被放置在電機減速箱的后面來直接檢測外部力矩的任何快速增加的變化；而其他時候，機器人需要輸出一定扭矩去提升負載和把負載從一個位置移動到另一個位置。當機器人識別出運動過程中一個異常扭矩增加值，如碰撞，會自動停下來。

　　安全傳感器

　　要想讓工業(yè)機器人與人進行協作，首先要找出可以保證作業(yè)人員安全的方法。這些傳感器有各種形式，從攝像頭到激光等，目的只有一個，就是告訴機器人周圍的狀況。最簡單的例子就是電梯門上的激光安全傳感器。當激光檢測障礙物時，門會立即停止閉合并回縮，以避免碰撞。在機器人行業(yè)里的大多數安全傳感器也差不多是這樣。

　　零件檢測傳感器

　　在零件拾取應用中，（假設沒有視覺系統），你無法知道機器人抓手是否正確抓取了零件。而零件檢測應用可以為你提供抓手位置的反饋。例如，如果抓手漏掉了一個零件，系統會檢測到這個錯誤，并重復操作一次，以確保零件被正確抓取。