柔性協(xié)作機(jī)器人技術(shù),即是在機(jī)器人的應(yīng)用過(guò)程中,解決機(jī)器人與環(huán)境接觸交互問(wèn)題的有效解決方案。而在和人類頻繁交互的應(yīng)用場(chǎng)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(yùn)而生。
01
協(xié)作機(jī)械臂的性能需求
相比運(yùn)用在大負(fù)載、相對(duì)規(guī)則的生產(chǎn)環(huán)境中傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人,協(xié)作機(jī)器人是可以與人類進(jìn)行近距離接觸的,其工作環(huán)境非結(jié)構(gòu)化程度較高,具體體現(xiàn)于人類的高度參與和復(fù)雜的工作空間,如科研領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、商業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域等環(huán)境。
那么不同的場(chǎng)景對(duì)協(xié)作機(jī)器人有著不同的需求。
首先是在人類高度參與的環(huán)境中,協(xié)作機(jī)器人就要有較強(qiáng)的人機(jī)交互能力,具體體現(xiàn)在協(xié)作機(jī)器人的安全性和易用性兩方面:
其次針對(duì)復(fù)雜的工作空間,就要求協(xié)作機(jī)器人有著較強(qiáng)的空間適應(yīng)能力,具體有以下三點(diǎn):
02
協(xié)作機(jī)械臂及其關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)
在分享關(guān)節(jié)&臂的設(shè)計(jì)之前,我們先對(duì)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(gè)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(gè)很大的特點(diǎn)是將無(wú)框力矩電機(jī)的外殼與輸出連桿做成了一體;再往后是無(wú)框力矩電機(jī)和高低速的雙編碼器,它的測(cè)量原理是把輸出端的低速通過(guò)中間的傳動(dòng)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(cè)量,這樣有較好的集成性;最后是整體關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)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(huì)造成制動(dòng)后在電機(jī)端存在一個(gè)約60°角的晃動(dòng),即使說(shuō)通過(guò)一個(gè)高減速比諧波減速器,在末端仍然會(huì)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?yàn)檩^薄的外壁導(dǎo)致其成本控制相對(duì)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(cè)量;接下來(lái)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(wú)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(kù)卡最大的不同是在諧波減速器后集成了一個(gè)彈性體編碼器,其通過(guò)測(cè)量?jī)蓚�(gè)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(gè)偏角是通過(guò)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(shí)現(xiàn)、力矩高測(cè)量精度這三個(gè)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?yàn)樗欧P(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(cè)試的結(jié)果來(lái)看,關(guān)節(jié)力控難點(diǎn)體現(xiàn)在三方面:一是對(duì)諧波減速器傳動(dòng)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(bǔ)償;三是對(duì)基于應(yīng)變片的力矩傳感器噪聲與對(duì)稱性的處理。
那么接下來(lái)是對(duì)典型協(xié)作機(jī)械臂整機(jī)設(shè)計(jì)小結(jié):
03
協(xié)作機(jī)械臂的未來(lái)發(fā)展
未來(lái)協(xié)作機(jī)器人在本體設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì),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(lái)說(shuō),協(xié)作機(jī)器人在本體設(shè)計(jì)與控制方面,原理性的技術(shù)都已經(jīng)相對(duì)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(jià)格等:
而在應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)景仍在探索中,下圖是一些可能會(huì)需要應(yīng)用到協(xié)作機(jī)器人的場(chǎng)合,供大家參考:
