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剛柔並濟!拳拳到位的機器觸覺!
[作者 林隆發]   2024年02月19日 星期一 瀏覽人次: [1293]

本文敘述如何運用機器視覺當中的力覺感測器,加以完善機械自動化的應用層面,並且舉出實例說明,讓智慧製造更向前邁一大步。



力覺感測器,它完成了機械自動化在產業應用上的最後一哩路。


以往傳統的產業自動化常使用視覺應用,當然也包含近年來才陸續加入的3D視覺。但離完全無人化還缺少了一個重要的因素—機器力覺。力覺感應器更像是人類觸覺的延伸應用,是最直接的力量反饋機制。除了感受力量之外,還能將其機械優勢加以利用,解決傳統機械力的單一出力問題,配合力量控制功能以及機器人手部動作可以應用的層面廣泛,例如必須依賴大量人力的傳統組裝製程,在現代人力資源難以滿足的狀況下,產業轉型的方針勢在必行。


Epson Force Sensor

Epson起源於SEKIO精工錶,大家都曉得石英錶內有一個不可或缺的材料—石英,鐘錶利用這個材料的高穩定及高靈敏特性來達到精確的計時效果。而Epson運用獨家的石英壓電技術來研發力覺感應器,並且利用石英材料的高靈敏特性讓Epson力覺感測器解析度最小可達到0.1 N。


適用的製程類別,包括精密零件/連結器組裝、Dip件插件、FPC/FFC組裝、精密螺絲鎖附、研磨、拋光等需要大量仰賴人體感知的製程。


Force Sensor有六個方向的力控制。以工具座標為基準,分別為X、Y、Z軸向及X、Y、Z的旋轉軸向。



圖一 : 力方向表示圖
圖一 : 力方向表示圖

Force Sensor功能

●觸碰


圖二 : 觸碰功能
圖二 : 觸碰功能

Force Sensor執行力控制模式,可以鎖定單一軸或多軸向的力回饋偵測進而達成效果。當達到設定力量時手臂將停止,而碰觸常應用在工件水平高度不一的製程中,利用力覺感應器的回饋機制,能夠讓機器人知曉動作中物體與機器人的位置關係,配合加壓、探測或其他功能完成想要達成的製程結果。


●對齊


圖三 : 對齊功能
圖三 : 對齊功能

對齊功能常用在Force Sensor執行精密插件應用,透過力覺控制可針對X、Y、Z旋轉軸向做Align補償的動作,當偵測到扭力為零時,手臂將停止轉動,降低Align時工件受力變形的風險。


●探測


圖四 : 探測功能
圖四 : 探測功能

探測,在精密組裝製程中是一個非常實用的功能。設定單一軸向(通常為Z軸)的力控制參數,透過設定機器人建立一個規律且逐漸縮小的Arc移動範圍。手臂將維持這個設定的力量運行,移動的同時執行力偵測,當移動過程中力回饋為零時停止運轉。


●追蹤


圖五 : 追蹤功能
圖五 : 追蹤功能

追蹤這個功能可以讓工業機器人發揮如同協作型手臂一般拖曳教點;也可以應用在任何不規則路徑的移動。讓使用者調校機器人位置設定時更加簡單,僅需要設定力控制條件且Target Force為0,運行時機器人會跟隨受力的方向移動,直到偵測的力量為零時停止運行而達到跟隨(追蹤)效果!


●加壓


圖六 : 加壓功能
圖六 : 加壓功能

加壓功能,顧名思義就是針對工件施加壓力,加壓的方向能依照實際操作設定而Epson force sensor的工作力範圍為0.1N~ 250N。可以設定加壓力條件,運行後機器人會依照設定的力條件運作,在未達到設定的力量前將持續加壓作業。


自動化方案—柔性組裝應用

A.力覺感應器:力覺感測器可以給予機械手臂接近人體觸覺的感受。當機械手臂上的夾持物受力時,透過力覺感應器回饋力道給機械手臂,讓機械手臂可以根據這個回饋力道的大小與方向來做出下一個相對應動作。


B.柔性組裝產品案例:以組裝LCD Module與PCB對應Pin為例說明,標準做法會需要利用工業相機透過影像運算來確定目標LCD的位置,取件後再次透過相機進行二次定位來確定針腳位置,進而完成整個插件流程。而在這中間主要透過力覺感測器的探測、跟隨、加壓等功能完成整個流程。


C.流程動作說明



圖七 : 柔性組裝產品的流程動作
圖七 : 柔性組裝產品的流程動作

D.組裝調機要點說明


狀況一、LCD Module無法插到底



圖八 : LCD Module插件狀況
圖八 : LCD Module插件狀況

解決方式:


*判斷當前插件力量設定是否大於插件摩擦力量。


*設定工作平面Plane。利用RC+內建GetRobotInsidePlane參數控制插件深度,維持一定的插件品質。


狀況二、LCD Module針腳歪斜與對位問題



圖九 : LCD Module針腳歪斜與對位
圖九 : LCD Module針腳歪斜與對位

解決方式:


*插件前偵測Z軸力回饋。


*分兩個模式處理:


--模式A:當Z軸力回饋大於等於設定的力量時,使用力覺感測器的跟隨功能Release x、y軸方向,同時維持Z軸力量加壓往插件位置移動。


 模式B:當Z軸力回饋小於設定力量,則針腳歪斜。不插件。


結論

力覺感應器完善了機械自動化的應用層面,讓智慧製造更向前邁一大步。Epson的產品優勢在於「省」、「小」、「精」。Epson力覺感應器內部使用石英壓電設計,讓感應器解析度達到0.1N,更利用這項特點常應用到精密組裝製程中。


自動化產線的評估可以透過力覺感應器的規劃來取代現階段需要大量仰賴人體力感知的製程,更能落實無人化工廠的推動!


(本文作者林隆發為茂綸公司技術工程副理)


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