何为碰撞检测?带你一探究竟

[ 发布日期:2022-09-01 ] 来源: 【打印此文】 【关闭窗口】

工业机器人大多按照固定程序进行点位移动,在工业机器人的发展历史中,由于操作不当或者是不遵循机器人操作规范导致的意外并不少见。早在1979年,美国密歇根的福特制造厂,有位工人在夜间试图从仓库取回一些零件而选择跨越机器人作业区间被机器人杀死。在这件事过去后一段时间的1981年5月,同样是在日本,山梨县阀门加工厂的一个工人,由于调整机器不遵守安全准则,在机器人安全范围内进行调试时,处于停止状态的机器人突然动作起来抓住他旋转,导致头和胸部严重受伤而死亡。而在几年前也有类似案例,在2018年9月10日,安徽省芜湖市经济开发区一名工人在给搬运机器人换刀具时,突然被机器人夹住,随后因伤势太重在医院不治身亡。


当然,这种机器人伤人的悲剧新闻一直不乏有势力或个人借机炒作,以达成自己的目的。无论是炒作还是真实的问题,从这些“机器人杀人”事件的正向作用来看,在安全事故发生后,机器人企业开始愈发重视机器人的作业安全问题。由于与人工作业相比,工业机器人作业虽然具有平稳度高、速度快、更精准等优势,但这对于脆弱的人体来说伤害巨大。由此看来,研究人机协作的安全技术意义重大,碰撞检测功能是机器人不可或缺的一部分。


随着机器人应用范围日益增大,人们对机器人的要求也越来越高,尤其在机器人安全性能方面。最初研制的机器人只能完成一些简单的重复任务,不具备人机交互能力;随着技术的高速发展,机器人趋于智能化,能够完成更加复杂的任务,例如装配、打磨、焊接等。


传统的工业机器人并未配备适当的安全和碰撞检测系统。因此,为保证机器的安全运行,往往要求配备防护栏,用于保证机器人运行时与人隔离。但是随着技术发展,机器人开始承担越来越复杂的任务。这些任务往往要求工作人员即时介入,因而使得如何实现安全的人机交互成为至关重要的问题。为保证安全,控制器需要实时检测机器人与工作人员之间是否存在碰撞,并通过相应的控制策略保证碰撞不至于伤害工作人员。


目前,碰撞检测方案主要有以下几种:


1、采用腕力传感器来检测碰撞:该方法可以精确检测手抓末端的碰撞力,但无法检测机器人其它部位的碰撞,故而检测范围受限,一般应用于磨削力、装配力等手抓末端碰撞力的检测。

2、采用力/力矩传感器来检测碰撞:机器人每个关节都装有力/力矩传感器,可以精准的检测外力,但是力/力矩传感器价格昂贵,该方法成本太高,无法普及。

3、采用感知皮肤来检测碰撞:该方法将感知皮肤覆盖在机器人全身,可检测到任意部位的碰撞。但缺点在于,布线比较复杂,抗干扰能力较差,且极大的增加了处理器的运算量。凡是使用外部传感器检测碰撞或碰撞力的方法,都不可避免的导致系统成本和复杂程度的大幅上升。

4、采用电机的电流或者反馈的力矩来检测碰撞:这是一种能够广泛应用于各种工业机器人的方案,无需额外添加传感器,且检测范围能够覆盖机器人的整个表面。


综上,前两种方法均在不同程度上具有局限性,第一种方法检测范围受限,第二种方法成本太高,第三种方法布线复杂,而第四种方法则完美解决了前三者的不足。四种方法,高下立判。


机器人控制系统的防碰撞试验


考虑到工业机器人的实际工作场景和性能需求,华成工控机器人控制器采用的碰撞检测方案便是上述第四种方法,建立机器人精确的动力学模型,实时跟踪机器人电机反馈的实际力矩,当机器人发生碰撞时实际力矩会发生较大突变,而模型反映的是机器人正常运行时的力矩表现,因此两者就会形成较大的力矩差即观测外力,以此作为碰撞检测的信号。该方法基于精确的辩识模型,可检测碰撞力小,灵敏度可调节范围大,不仅提高了人机交互的安全性和机器人本身的安全性,也从某种程度上提高了机器人的耐用度,同时延长其使用寿命。


机器人碰撞检测后的控制策略主要有三种:

1、机器人碰撞后立即停止运行,待进入安全状态下后继续运行;

2、机器人碰撞后立即向反方向反弹小段距离;

3、机器人进入只补偿重力的拖动示教模式。

三种方法都可以保证人机交互或者机器人的安全,客户可以根据自己的需求设定相应的控制策略。

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