艾利特CSF力控協(xié)作機(jī)器人劃開下一代協(xié)作機(jī)器人新賽道

在實際應(yīng)用中，力控協(xié)作機(jī)器人“關(guān)節(jié)配置力矩傳感器”技術(shù)路線的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在機(jī)械臂的安全性上，由于力矩傳感器被安裝在各個關(guān)節(jié)上，當(dāng)本體的大臂、小臂或肘部，碰到人或其它外物時均能靈敏感知到。反之，如果機(jī)械臂沒有加力矩傳感器，就需要采用關(guān)節(jié)電流等技術(shù)手段來實現(xiàn)碰撞檢測，其精度比加力矩傳感器的方案低一個數(shù)量級以上。因此，在本體的碰撞檢測能力上，關(guān)節(jié)配置力矩傳感器的方案優(yōu)勢明顯。

但是，關(guān)節(jié)配置力矩傳感器后，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積重量大，嚴(yán)重影響整機(jī)的負(fù)載和速度性能，且機(jī)械臂的核心零部件如諧波減速器需要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行較大改動，因而造成高昂的成本，大大制約了這類力控協(xié)作機(jī)器人的普及。

對于“工具端集成六維力傳感器”這一技術(shù)路線而言，事實上，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在很早之前就已在工具端通過外置的方式集成六維力傳感器，即在工具法蘭輸出位置增加一個力傳感器，再通過力傳感器來連接末端工具，從而實現(xiàn)各種力控相關(guān)功能。該路線可以實現(xiàn)力控精度與整機(jī)的負(fù)載、速度、體積的平衡。

但獨立的六維力/力矩傳感器一定程度上占用了工具端寶貴的空間、重量、I/O接口資源，且獨立的六維力/力矩傳感器當(dāng)下價格高昂，至今普及度仍待提升。

因此，具有前瞻性眼光和布局的協(xié)作機(jī)器人企業(yè)開始嘗試在機(jī)器人工具端內(nèi)部配置自主研發(fā)的六維力/力矩傳感器，旨在解決上述掣肘。艾利特CSF系列力控協(xié)作機(jī)器人作為“新物種”應(yīng)運而生，發(fā)布即量產(chǎn)，已進(jìn)入市場導(dǎo)入階段。

前瞻布局下的抉擇

2年前，艾利特即判斷，隨著協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展推廣，以及競爭的白熱化，必然對產(chǎn)品功能的豐富性提出更高要求，進(jìn)而倒逼產(chǎn)品的持續(xù)迭代，“力控”也將成為未來協(xié)作機(jī)器人企業(yè)競爭的新焦點。

具體來看，在工具端集成六維力/力傳感器有四大優(yōu)點，而這也是艾利特選擇這一技術(shù)路線的關(guān)鍵原因：

第一，距離工具更近、工藝精度更高。力/力矩量程與機(jī)器人負(fù)載范圍接近，不需要考慮機(jī)器人本體自重，進(jìn)而實現(xiàn)在相同成本的代價下，精度更高。

第二，不受機(jī)器人奇異點影響。從設(shè)計原理上來看，機(jī)器人在運動過程中總會遇到奇異點，而在工具端直接帶力傳感器則不涉及力的正逆解問題，力檢測性能與機(jī)器人姿態(tài)無關(guān)。

第三，體積小、重量輕。在工具端內(nèi)置力傳感器并實現(xiàn)高集成度后，與非力控機(jī)型相比幾乎不增加體積和重量。

第四，與非力控機(jī)型共用絕大多數(shù)部件。艾利特力控協(xié)作機(jī)器人與非力控機(jī)型的部件中，只有工具法蘭這一模塊不同，因而排產(chǎn)、維修工作量小，規(guī)?；杀镜汀?/p>

事實上，艾利特協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品可同時支持外部適配六維力傳感器。那么艾利特自研六維力傳感器的初衷又是什么？艾利特在接受高工機(jī)器人調(diào)研時表示，有以下四個方面：

一是，協(xié)作機(jī)器人對于重量、負(fù)載非常敏感，外置的六維力傳感器對于協(xié)作機(jī)器人重量的增加較為明顯，當(dāng)前市面上的六維力傳感器的重量普遍在至少在200g-300g，協(xié)作機(jī)器人的負(fù)載越小，這一重量占比就會越大。

二是，協(xié)作機(jī)器人對于體積同樣敏感，協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計初衷就是希望工具端盡量小而輕便，而一個六維力傳感器，加上前殼、后殼的厚度約為20mm-30mm，由此“吃掉”協(xié)作機(jī)器人工具端很多體積，總體來看并不劃算。

三是，基于安全性的考慮，協(xié)作機(jī)器人往往采用內(nèi)部走線的形式，而外置六維力傳感器和機(jī)械臂要實現(xiàn)通訊，要通過一個工具I/O接口來把信息傳輸給機(jī)械臂與機(jī)器人控制系統(tǒng)，或是通過單獨的線纜傳給控制器，也就是線纜是圍繞著機(jī)器手臂的。第一種方式會占用工具I/O比較寶貴的通訊接口，雖然也有其它技術(shù)或工程手段來解決，但對于終端用戶來說，使用繁瑣；第二種方式則需要外部走線，因而本末倒置了。

四是，與成本有關(guān)。艾利特自研六維力傳感器的電路與結(jié)構(gòu)與工具I/O完全融合，整體成本比外置六維力傳感器有優(yōu)勢。

基于這些考量而研制成功的艾利特CSF系列力控協(xié)作機(jī)器人，在CS標(biāo)準(zhǔn)型安全易用的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步。與CS66相比，CS66F能夠提供150N、10Nm的力/力矩量程，綜合準(zhǔn)度2%，精度0.5%。

具體來看，CSF力傳感器模塊具有5個特點：

1、機(jī)械電子融合度高。機(jī)械結(jié)構(gòu)、信號處理電路與工具I/O的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路完全融合，集成IMU，通過IMU獲得加速度進(jìn)一步提高動態(tài)精度。

2、工具端機(jī)械和I/O接口兼容性高。與非力控機(jī)型只工具法蘭厚度不同，機(jī)械和I/O接口完全相同。

3、體積重量更小。與CS66相比，CS66F工具端重量僅增加80克、厚度僅增加12mm。

4、針對協(xié)作機(jī)器人模塊化特點優(yōu)化量程。以對應(yīng)關(guān)節(jié)模塊扭矩為量程設(shè)定依據(jù)，適應(yīng)未來擴(kuò)展機(jī)型。

5、針對協(xié)作碰撞頻繁的工作特點優(yōu)化過載能力。在機(jī)械臂與周邊設(shè)備碰撞的瞬間，往往會對力傳感器產(chǎn)生一個很大的力量，使得力傳感器處于過載狀態(tài)，CS66F過載能力超過400%，從而保證自身在碰撞中不受損壞。

CS66F是艾利特CSF力控協(xié)作機(jī)器人的第一款機(jī)型，今年CS63F、CS612/616F、CS620/625F將也陸續(xù)推出，CSF家族將不斷完善和壯大。

拓展力控應(yīng)用邊界

如今，艾利特CSF系列力控協(xié)作機(jī)器人正不斷被用于傳統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)化及新領(lǐng)域的探索。

艾利特CSF系列力控協(xié)作機(jī)器人具有力傳感器自動標(biāo)定功能，即在安裝工具后通過標(biāo)定確保力檢測和力控精度；負(fù)載質(zhì)量質(zhì)心辨識的功能，使得CSF系列不需要用戶輸入負(fù)載質(zhì)量質(zhì)心，簡化示教工作、降低整機(jī)使用難度。

在輕松拖拽方面，僅需要1N外力即可拖拽CSF系列機(jī)器人，結(jié)合拖拽速度設(shè)置可實現(xiàn)mm級或更高精度的拖拽；各坐標(biāo)系上均可鎖軸拖拽，各自由度可單獨或組合鎖定。在沒有鎖軸模式時，用戶希望機(jī)器人在某個方向上進(jìn)行微小的運動是非常難的，因為力的感應(yīng)難免有偏差，會在運動過程中觸發(fā)了其它方向、自由度的運動，而實際中其它方向、自由度的運動在位姿方面均已調(diào)試好，因而為了某“一點”，而毀掉其它調(diào)試工作，示教效率大大降低，鎖軸拖拽則可以完美解決這一問題。

相比傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)電流檢測方式，艾利特CSF系列力控協(xié)作機(jī)器人的碰撞檢測靈敏度提高1個數(shù)量級以上，安全性大大提高；手動示教時工件與設(shè)備接觸的感應(yīng)更靈敏，可有效保護(hù)工件與設(shè)備。

艾利特CSF系列力控協(xié)作機(jī)器人還具備實時負(fù)載檢測的功能，根據(jù)負(fù)載重量可判斷抓取是否成功，或直接用于工件重量檢測。

CSF系列通過力控坐標(biāo)系與運動坐標(biāo)系多種組合形式，形成了多種模式，可應(yīng)用于豐富的場景中：

1、固定模式：力控坐標(biāo)系為笛卡爾空間中的任意固定坐標(biāo)系，此模式下的力控方向是固定的，可用于打磨、裝配等力控場景。2、TCP模式：力控坐標(biāo)系與機(jī)器人TCP坐標(biāo)系重合，此模式下的力控方向隨著機(jī)器人的運動而不斷變化，可用于理療、裝配、打磨等場景。3、運動模式：力控坐標(biāo)系的X軸始終與運動方向在X-Y平面上的投影重合，此模式下的力控方向隨著機(jī)器人的運動而不斷變化，可用于不規(guī)則曲面打磨、去毛刺、恒力跟蹤等場景。4、點模式：力控坐標(biāo)系的Y軸始終與TCP到力控坐標(biāo)系原點的連線重合，此模式下的力控方向也隨著機(jī)器人運動而不斷變化，可用于球狀物體方式打磨等場景。

在上述幾種力控模式中，其力控坐標(biāo)系上的每個自由度均可選擇不同的控制方式：

1、運動控制：執(zhí)行預(yù)先規(guī)劃的運動。2、力跟蹤控制：跟蹤并維持設(shè)置的目標(biāo)力/力矩。3、浮動控制：機(jī)器人受到外力會柔順運動，外力撤銷后機(jī)器人保持位置不變。4、彈簧控制：機(jī)器人受到外力會柔順運動，外力撤銷后機(jī)器人會回到初始位置。5、浮動+運動控制：沒有外力時，機(jī)器人執(zhí)行預(yù)先規(guī)劃的運動；有外力時，則為外力產(chǎn)生的浮動運動疊加預(yù)先規(guī)劃的運動。6、彈簧+運動控制：沒有外力時，機(jī)器人執(zhí)行預(yù)先規(guī)劃的運動；有外力時，則為外力產(chǎn)生的彈簧運動疊加預(yù)先規(guī)劃的運動。

除此之外，艾利特CSF系列力控協(xié)作機(jī)器人的力控參數(shù)可實時更改、多種力控模式可實時組合及切換，進(jìn)而可完成復(fù)雜的裝配、環(huán)境交互任務(wù)。

在實際中，力控協(xié)作機(jī)器人不僅可以對機(jī)床上下料、3C裝配、金屬加工的拋光打磨等傳統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)優(yōu)化，還可以探索更多新領(lǐng)域，如提高機(jī)器人在非介入式醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用中的安全性和靈敏度，提高復(fù)合機(jī)器人精度等。

今年1月，工信部等17部門印發(fā)“機(jī)器人+”應(yīng)用行動實施方案，未來機(jī)器人的應(yīng)用場景將不局限于工業(yè)生產(chǎn)、消費零售等，而是滲透進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)當(dāng)中，力控協(xié)作機(jī)器人將大有可為。