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世上無協(xié)作,只怕有心人(上)

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發(fā)表于 2021-8-28 15:47:09 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

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   自從17年開始寫公眾號以來,DELTA、SCARA、六軸都已經(jīng)寫過了,在大的門類中,就只剩下協(xié)作還未寫過,沒錯,這一期我們來聊聊協(xié)作機(jī)器人。
     個人認(rèn)為,就目前而言,協(xié)作機(jī)器人并不存在,或者說目前還處于協(xié)作機(jī)器人的初級階段,只不過在機(jī)器人行業(yè)幾十年未有突破的情況下,“協(xié)作”這個概念引爆了一個風(fēng)口,但凡能拖拉示教與碰撞檢測功能的機(jī)器人都敢自稱協(xié)作機(jī)器人。
     協(xié)作雖假(或者說協(xié)作雖未到火候),但協(xié)作機(jī)器人所引出的模塊化、輕量化的概念卻有實實在在的現(xiàn)實意義。
      
協(xié)作機(jī)器人介紹
協(xié)作機(jī)器人的門派之分
協(xié)作機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)
協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用

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結(jié)語

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協(xié)作機(jī)器人介紹
關(guān)于什么是協(xié)作機(jī)器人,網(wǎng)上已經(jīng)有大量文章描述了定義與愿景,這里不廢話,按照ISO/TS 15066文檔中對機(jī)器人的描述是“為能夠與人員在協(xié)作工作區(qū)內(nèi)直接交互而設(shè)計的機(jī)器人”,用老百姓的話說,這貨不是豬隊友,跟他在一起玩時,他既不會自爆也不會爆你,大家手牽手,都是好朋友。
        ISO的定義強(qiáng)調(diào)兩個關(guān)鍵詞:“協(xié)作工作區(qū)”和“直接交互”。協(xié)作,安全為先,所以ISO 10218自然更強(qiáng)調(diào)協(xié)作機(jī)器人是安全的,所以才能實現(xiàn)機(jī)器人與人共享協(xié)作工作區(qū),但是什么安全,ISO就說不清了,只有一句“不應(yīng)該產(chǎn)生傷害”的概述。那么什么叫傷害,這誰說得清,相同的力道一拳過去,練家子可能啥事兒沒有,一般人可能就暈過去了。
      這也難怪,畢竟標(biāo)準(zhǔn)總是落后于現(xiàn)實,ISO 15066 也是2016年才發(fā)布這么一個初稿,后續(xù)要細(xì)化還有很長的路要走。也正是因為標(biāo)準(zhǔn)的模糊,所以只要去掉圍欄,只要能拖動示教,只要有碰撞檢測,只要看起來像協(xié)作,都自稱協(xié)作機(jī)器人。說得更直接點,現(xiàn)在的現(xiàn)象是,只要看起來像UR,都是協(xié)作機(jī)器人。
協(xié)作機(jī)器人的門派之分
       都是實現(xiàn)人機(jī)協(xié)作,都是為了去掉傳統(tǒng)的圍欄,采用的策略卻各不相同。

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主動防御式

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       這是一種兼顧協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器的理想模式,即在機(jī)器人周邊劃分不同的區(qū)域,由傳感器監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的動態(tài),傳感器可能是光幕,可能是視覺,可能是激光測距傳感器,用來代替圍欄,創(chuàng)造出虛擬空間。
        當(dāng)人在虛擬空間以外時,機(jī)器人高速做生產(chǎn)工作,而當(dāng)人進(jìn)入虛擬空間時,機(jī)器人減速或者暫停。這里更多是軟件層面的安全系統(tǒng),所用的機(jī)器人甚至不一定是現(xiàn)在所謂的協(xié)作機(jī)器人,傳統(tǒng)的機(jī)器人也可以。
        比較理想的設(shè)置是,在機(jī)器人的周邊劃分成在三個區(qū)域,姑且稱為外空間,中空間,內(nèi)空間,當(dāng)人處于外空間時,機(jī)器人高速工作;當(dāng)人進(jìn)入中空間時,機(jī)器人慢速工作;而當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入內(nèi)空間時,機(jī)器人二次減速,龜速工作,此時機(jī)器人與人非??拷?,一旦機(jī)器人與人發(fā)生碰撞,機(jī)器人停止。當(dāng)人遠(yuǎn)離機(jī)器人時,機(jī)器人又自動按人所在的空間對應(yīng)不同的速度工作。
       理想很豐滿,現(xiàn)實卻很骨感。實際應(yīng)用場景卻要復(fù)雜得多,如何判斷人在哪一個空間、如何保證傳感器的穩(wěn)定性、如何定義慢速/龜速,如何自行恢復(fù)等等根據(jù)不同的應(yīng)用場景都有相當(dāng)復(fù)雜的組合,所以這種策略的實施非常困難,實際的案例中也只是實現(xiàn)了部分策略。
       典型案例:FANUC雙重防碰撞安全檢測技術(shù),策略也比較簡單。此功能可在人機(jī)作業(yè)的環(huán)境中,在機(jī)器人周邊構(gòu)成一個虛擬的安全作業(yè)區(qū)域,當(dāng)人員進(jìn)入該區(qū)域觸發(fā)安全機(jī)制時,機(jī)器人暫停當(dāng)前的工作,進(jìn)而達(dá)到保護(hù)人員,避免受到傷害的情況。
       當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)作時,四周不需要安全圍欄,在無外界干預(yù)時機(jī)器人全速運(yùn)行,信號燈以綠色表示;當(dāng)人員進(jìn)入預(yù)警區(qū)時,機(jī)器人速度減慢,信號燈顯示黃色;當(dāng)人員進(jìn)入危險區(qū),會對人員造成傷害時,機(jī)器人緊急停止,信號燈以紅色表示。
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緩沖式

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       由于主動防御實在哪保周全,于是衍生出另一種補(bǔ)救方式——電子皮膚。即在傳統(tǒng)機(jī)器人上包裹一層軟材料,并發(fā)生碰撞時,既能做緩沖降低傷害,同時這種材料本身也是一種傳感器,可以感知外界的力,達(dá)到協(xié)作的安全目的。
        典型案例:Staubli的TX2 touch,從碰撞檢測感知上看,反應(yīng)非常靈敏。
         然而,目前電子皮膚的技術(shù)仍是開發(fā)階段,成熟產(chǎn)品少,價格也相當(dāng)高,限制了其應(yīng)用。而且很多時候機(jī)器人并不是整體包裹,比如基座、末端法蘭露出,其實仍免不了安全隱患。

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力控式

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       力控式是目前協(xié)作領(lǐng)域最常用的方式。設(shè)想假定裝配某一個產(chǎn)品的力是2KG的力,機(jī)器人固定輸出2KG左右的力,超過2KG時,或者受到外界的其他力時,則判斷遇到了不可繼續(xù)的阻礙,機(jī)器人則自動停止,人為介入,防止傷人。從安全方面來,也是退而求其次,挺好的策略,而且也是相對容易實現(xiàn)的策略。于是,目前大眾所認(rèn)識的UR式協(xié)作機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。
       再分細(xì)一點,力控又分成三個大的方向。以UR為首的高性價比方案,通過監(jiān)測電流來實際力控,結(jié)構(gòu)相對簡單,容易實現(xiàn),性能上力控的精度自然要差很多,但是對于追逐潮流來說已經(jīng)夠了。
       另一派是以KUKA為首的力傳感器方案,采用高精度的應(yīng)變片,實現(xiàn)精確的力控,什么壓蛋不破,刺手不傷,釘刺氣球不破,都是經(jīng)典DEMO,然而,因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,投入大,周期長,回報慢,敢入局,能入局的玩家甚少。
       還有就是在末端增加六維力傳感器來實現(xiàn)精準(zhǔn)力控,這種其實是比較成熟的技術(shù),在協(xié)作概念未火之前已經(jīng)有較多的使用,只是搭著協(xié)作的風(fēng)打了個擦邊球。價格嘛~~~~呵呵呵呵呵呵~~~~~* q- P4 k, _$ r
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非主流式

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       上述只是列舉了典型方式,也有不少廠家是采用了綜合的方案,比如使用了協(xié)作機(jī)器人,還包裹了緩沖材料,或者還增加了安全區(qū)域檢測,組合還是挺多的。
       另外也有一些小眾方案。
       直驅(qū)電機(jī):前面講的UR類協(xié)作是通過監(jiān)測電流實現(xiàn)力控有很大的局限性,原因是UR類協(xié)作機(jī)器人的模組的驅(qū)動是由電機(jī)加減速機(jī)組成,減速機(jī)本身有較大的靜摩擦力,而且相同規(guī)格的差別還挺大,所以如果是較小的力,電機(jī)這邊根本看不到電流變化。直驅(qū)電機(jī)正好彌補(bǔ)了這個缺點,既能輸出足夠大的力,外界的力又直接被電機(jī)感知,故能實現(xiàn)非常順滑的力控,穩(wěn)定性也要比應(yīng)變片好得多。然而~~~~~上帝是公平的,目前直驅(qū)電機(jī)的功率密度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理想需求,相同的扭矩,直驅(qū)電機(jī)的體積實在太大了,限制了構(gòu)型與使用,價格上仍是偏貴,但相比iiwa來說,簡直白菜價。
       典型案例:慧靈
       氣動方案:來自氣動界霸主FESTO的杰作,采用氣缸實現(xiàn)了協(xié)作。不管是想法還是技術(shù)還是顏值,都是相當(dāng)哇塞,價格嘛,我想應(yīng)該也挺哇塞的~~~~~
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       學(xué)霸方案:要說協(xié)作的鼻祖,不得不提Rethink的悲劇人生。引領(lǐng)協(xié)作潮流,又不得不賣身求存,技術(shù)路線完全拋棄成熟的減速機(jī),幾乎都是采用自研的結(jié)構(gòu),只可惜,時代看上了學(xué)霸,但市場沒看上~~~~~向?qū)W霸致敬,希望早日歸隊。

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看得不過癮?沒關(guān)系,未完待續(xù)
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評分

參與人數(shù) 3威望 +3 收起 理由
大白小白 + 1 思想深刻,見多識廣!
不進(jìn)則退wp + 1 問題描述清楚,顯得很專業(yè)!
未來第一站 + 1 問題描述清楚,顯得很專業(yè)!

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發(fā)表于 2021-8-28 17:50:51 | 只看該作者
一個控制論占主導(dǎo)的系統(tǒng)中,協(xié)作好像層級低了些吧。估計又會被人笑話為底層邏輯
3#
發(fā)表于 2021-8-30 08:11:11 | 只看該作者
頂起
4#
發(fā)表于 2021-9-1 04:44:32 | 只看該作者
學(xué)習(xí)了,感謝樓主分享!
5#
發(fā)表于 2021-9-1 14:13:05 | 只看該作者
感謝樓主分享!
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