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协作机器人的关键元件:碰撞感测系统
[作者 籃貫銘]   2019年07月30日 星期二 浏览人次: [1745]

协作机器人是目前自动化领域的当红炸子鸡,正快速的进入各式各样的工业应用情境中。而且不同於传统的工业机器人与机器手臂,协作机器人并不往大型与重机具领域发展,而是以中小型的应用领域为主,理由很简单,它们是要在一定的工作空间里,与人类一起协作。



图一 : 协作机器人的安全设计前提,是要防止与工作人员产生碰撞的意外,并避免造成「疼痛」与「受伤」的情形。
图一 : 协作机器人的安全设计前提,是要防止与工作人员产生碰撞的意外,并避免造成「疼痛」与「受伤」的情形。

而要与人类一起工作,协作机器人在设计上就有着非常不同的考量,所使用的科技也有别於一般的机器手臂,而最重要的考量,就是工作安全。


也因为协作机器人必须跟人员紧密的互动,安全性的考量需是产业共识,所以国际标准化组织(ISO)也在2016年3月发布了《ISO/TS15066 Robots and robotic devices--Collaborative robots》标准草案,进一步规范了协作机器人应该具备的安全性内容。该标准预计在2019年会完成审议。


ISO/TS15066规范将定案 数据化安全规定

在这个标准里就明确指出,协作机器人的安全设计前提,是要避免与工作人员产生碰撞的意外,并防止因此造成「疼痛」与「受伤」的情形。而这个标准也对整个机器人产业有了根本上的影响,因为它提供了数据化的叁考,并促进了新一波的科技发展。


ISO/TS15066规范有四个要点,明确定义了协作机器人需要哪些安全设计:


1.安全额定监控停止(Safety-rated monitored stop):在不移除电源的情况下,协作空间内不能有机器人系统的危害,而且必须能够随时启动额定停止功能,而且机器人又有保护性停止的功能;


2.手动引导(Hand guiding):协作机器人必须是可手动控制的系统,允许由人直接操作;


3.速度及分隔距离的监控(Speed & Separation Monitoring):须针对机器人运行速度,以及与人的距离进行监控;


4.动力和力量的限制(Power and Force Limited):协作机器人的速度、扭矩、力量等,都必须在规定限制内,以防止人员的伤害。


从新规范的内容来看,就知道协作机器人的力量与速度是受限的,而且必须要能够手动操作,更重要的是,要具备距离监测和防护停止的功能,因此必然要使用多样的感测器与数控功能来达成。


在侦测力量和速度方面,就需要用到扭力感测器和速度感测器;侦测距离则需要接近感测器;至於碰撞,就会用到碰触感测器和力量感测器。


但人毕竟不是机器,并不会有程式化固定的行为和动作,因此在产线上或者工作台上的协作机器人,必须要能够精确的避免与人的碰撞,特别是人员突如而来的动作。



图二 : 触碰感测器系统示意图。(source: hi.is.mpg.de)
图二 : 触碰感测器系统示意图。(source: hi.is.mpg.de)

在传统的设计上,协作型的机器人为了要避免与人的碰撞,经常会使用「接近感测器(Proximity sensor)」来防范此种意外。这类感测器主要是使用透过感应「距离」的方式来设定机器的动作,只要人员靠近到一定的程度,机具就会减速或者停止动作。



图三 : 要把感测器整合到整个手臂中并不是件简单的事。
图三 : 要把感测器整合到整个手臂中并不是件简单的事。

另外,也有运用光感测的原理来设置光闸,用以区隔协作机器人与工作人员空间,只要人员接触到光闸,就会触发机器人的另一种工作模式,或者直接停止,以保护人员安全。


但以上这些方式都不是最隹方案,因为接近感测器的原理是透过发射电磁波或电磁场,并接收其反射的讯号,藉以判断物体是否存在及其相对的距离。而不同类型的接近感测器,也就会有不同的感测目标,例如电容式或光电式可侦测塑料,而电感式只能侦测金属。


其他还有静电容量型、超音波型与磁性型等,各自的性能与应用领域也各异。也因此使用接近感测器来对工作中的人员进行感测,其设定和设计就会相当复杂,也不易达到最隹性能。


再者,下一代的协作型机器人与工作人员的互动将是十分紧密,彼此间的工作距离也就会非常接近,因此可以反应的时间和灵敏性会是一大挑战,尤其是接近感测器难以覆盖全部的位置,如果人员出现在死角位置,或者意外的出现,都可能会出现危险。所以增添其他的感应方案就成为不得不思考的对策。


导入「触觉」 碰撞感测器成关键技术

目前最新的技术方向,是让机器手臂更加接近人体,也就是让它拥有「触觉」。


不同於传统的「请勿靠近」思维,这种机械触觉的设计思维就显得十分人性,它是建立在「触碰」上。就如同人类的工人,当我们在工作中不小心碰到对方时,我们会立即把手收回来,这是一种天性。


而要实现这种侦测触碰的科技,同样也有多种方式,包含电容、电阻、压电效应、超音波和力量感测等。而目前主流的发展方向,则是为协作机器人加装上一种类似人类皮肤的安全装置,藉以侦测各种接触和碰撞的情况。


这种安装在外部的安全装置是透过内建精密的触觉感测器,来对各式各样的触碰产生反应,并给予机器人停止的讯号。而触觉感测器,一种压力感测单元阵列的整合电路,其上的每一个单元都能够检测压力,并依据压力感测器的灵敏度与整合的密度,来提供不同的等级与应用的触觉感测能力。


然而,要在机器手臂里导入碰撞感测器并不是这麽简单,它必须要顾及更多的面向才行,包含要能侦测到所有可能接触到的物件材质,以及所覆盖的范围必须要具备相同的灵敏性。再者,就是感测器要能与柔性材质整合,才能符合协作机器人的工作需求。


因此,这种专为协作机器人所设计的触控感测器就成了一种特殊的应用市场,并有特定的业者进行产品的开发与设计。例如德国Fraunhofer IFF就开发了专用的协作机器人触控感测器系统,不仅能安装在软性材质上,而且能够感应各式的压力与碰撞;再者,该公司的感测器还能与电容式接近感测器作整合,提供双重的安全设计思考。


在台湾,从工研院独立出去的原见精机(Mechavision),也是一家专门提供协作机器人碰撞侦测解决方案业者,该公司将其产品称为「安全皮肤」,能够安装在机器手臂可能会产生碰撞的位置,以提供协作机器人受到碰触即停止的功能。目前也已获得隹世达采用,并实际运在产线上。



图四 : 原见精机的「安全皮肤」,能够安装在机器手臂可能会产生碰撞的位置,提供碰撞感测。
图四 : 原见精机的「安全皮肤」,能够安装在机器手臂可能会产生碰撞的位置,提供碰撞感测。

澳洲的机器人安全方案供应商Blue Danube Robotics也提供类似的产品,用於安装在机器手臂上,来提供协作机器人所须具备的安全规范。不同的是,Blue Danube的AIRSKIN碰撞感测器产品的表面是软性材质,并且能安装置整个机械手臂上,提供整机的触碰和碰撞侦测功能。


除了碰撞後停止之外,触觉感测器其实还能够侦测力量的大小,给予不同的力量数值,让系统可以据此设计出不同的回??反应。对协作机器人来说,使用了这类的感测技术之後,就能在受到碰触时,依据触控的力道来决定是要减慢动作,或者完全停止。


当然,目前也有更前瞻、更科幻的技术发展,也就是进一步打造机器人专用的「电子皮肤」,把具备感测功能的电子薄膜直接安装置机器人身上,让机器人具备类人类的触觉,不仅感应接近、接触和碰撞,甚至还能够有侦测温度的功能,可以让协作机器人的安全与应用有更多的想像。


结语


图五 : 除了产线外,协作机器人也开始出现在多种工作场合上,如医检。(source: ABB)
图五 : 除了产线外,协作机器人也开始出现在多种工作场合上,如医检。(source: ABB)

综合来看,协作机器人虽然已经问世多年,但随着新规范与新技术的导入,让其发展有了更宽广与更多元的方向。除了制造业的使用量逐年攀升外,甚至医疗检测、服务业与餐饮业也开始有业者计画导入协作机器人,来作为其提供服务和工作流程的一部分。


而在这个趋势下,也将会带动更多新兴的软硬体发展,尤其是在感测器的部分,因为协作机器人非常重视安全与精细的动作,而这些都需仰赖先进的电子感测元件来达成。


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