一文讀懂：為什么碰撞檢測(cè)是協(xié)作機(jī)器人的底層技術(shù)

協(xié)作機(jī)器人

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人體積龐大且安全系數(shù)低，因?yàn)樽鳂I(yè)半徑內(nèi)不允許有人。隨著精密制造、柔性制造等動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)需求增加，機(jī)器人與人、機(jī)器人與環(huán)境的共存對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)提出了更高的要求，具備這種能力的機(jī)器人我們將其稱為協(xié)作機(jī)器人。

協(xié)作機(jī)器人具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括輕量化、環(huán)境友好性、智能感知、人機(jī)協(xié)作和易于編程等。在這些優(yōu)點(diǎn)背后，有一項(xiàng)功能是非常重要的，那就是碰撞檢測(cè)——主要作用是減少碰撞力對(duì)機(jī)器人本體的影響，避免機(jī)器人本體或者外圍設(shè)備損壞，更重要的是防止機(jī)器人對(duì)人類造成損傷。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用于實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人碰撞檢測(cè)的方式已經(jīng)有很多，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等。當(dāng)然，這些實(shí)現(xiàn)方式的核心都是具備各種檢測(cè)功能的元器件。

協(xié)作機(jī)器人的碰撞檢測(cè)

機(jī)器人的出現(xiàn)并非意在完全取代人類，很多工作需要人類和機(jī)器人相互合作來(lái)完成，這便是協(xié)作機(jī)器人誕生的背景。協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)初衷是為了與人類在工作中進(jìn)行互動(dòng)和協(xié)作，以提升工作效率和安全性。

在一個(gè)工作場(chǎng)景下，協(xié)作機(jī)器人與人類直接合作，因此安全性問(wèn)題怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。為了保障人機(jī)協(xié)作的安全性，?業(yè)界制定了諸多相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，目的就是為了讓協(xié)作機(jī)器人從設(shè)計(jì)之初就考慮到人機(jī)協(xié)作的安全性問(wèn)題。

圖1：碰撞檢測(cè)位于協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)邏輯的底層（圖源：節(jié)卡機(jī)器人）

同時(shí)，協(xié)作機(jī)器人自身也要確保安全可靠。由于協(xié)作機(jī)器人的空間自由度非常高，且主要替代人類在復(fù)雜、危險(xiǎn)環(huán)境中的工作，因此在磨削、裝配、鉆孔、搬運(yùn)等工作中，也需要對(duì)可能發(fā)生的碰撞進(jìn)行快速可靠的檢測(cè)。

為了讓協(xié)作機(jī)器人不與人類、環(huán)境發(fā)生碰撞，設(shè)計(jì)者們將碰撞檢測(cè)大致分為四個(gè)環(huán)節(jié)：

01、預(yù)碰撞檢測(cè)

在一個(gè)工作環(huán)境里部署協(xié)作機(jī)器人時(shí)，設(shè)計(jì)者希望這些機(jī)器人能夠像人類一樣熟知環(huán)境，規(guī)劃自己的移動(dòng)路徑。為了達(dá)到這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)者在協(xié)作機(jī)器人上安裝具有一定計(jì)算能力的處理器和檢測(cè)算法，并搭建攝像頭、傳感器和雷達(dá)的一種或者幾種作為檢測(cè)手段。如上所述，預(yù)碰撞檢測(cè)是有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以遵循的，比如ISO/TS15066協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，就要求協(xié)作機(jī)器人在人接近時(shí)停止運(yùn)行，人離開時(shí)立即恢復(fù)。

02、碰撞檢測(cè)

這就是一個(gè)非是即否的形態(tài)，代表協(xié)作機(jī)器人是否發(fā)生了碰撞。為了不發(fā)生誤觸發(fā)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)者會(huì)為協(xié)作機(jī)器人設(shè)定一個(gè)閾值。這個(gè)閾值的設(shè)定是非常考究的，既要保證不能頻繁觸發(fā)，同時(shí)也要極度靈敏以避免碰撞。由于機(jī)器人的控制主要靠馬達(dá)，因此設(shè)計(jì)者將這個(gè)閾值和馬達(dá)自適應(yīng)算法結(jié)合在一起，做到碰撞即停。

03、碰撞隔離

當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)碰撞發(fā)生之后，需要確認(rèn)具體的碰撞點(diǎn)或者是碰撞關(guān)節(jié)。此時(shí)實(shí)施隔離目的就是讓這個(gè)碰撞的部位停下來(lái)。傳統(tǒng)機(jī)器人的碰撞隔離通過(guò)外部護(hù)欄來(lái)實(shí)現(xiàn)，協(xié)作機(jī)器人由于處于開放空間，因此就需要通過(guò)算法和反向加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

04、碰撞識(shí)別

此時(shí)協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)確認(rèn)發(fā)生了碰撞，相關(guān)變量已經(jīng)超出了閾值。這時(shí)候機(jī)器人上的處理器需要根據(jù)傳感信息判斷碰撞是否為偶發(fā)碰撞，如果判定結(jié)果為是，那么協(xié)作機(jī)器人需要自我修正；如果判定為非偶發(fā)碰撞，那么此時(shí)協(xié)作機(jī)器人將停機(jī)等待人類處理。

可以說(shuō)碰撞檢測(cè)是協(xié)作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自我感知非常重要的主張，為協(xié)作機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用和進(jìn)入更廣泛的場(chǎng)景提供了可能。在不同的碰撞環(huán)節(jié)，協(xié)作機(jī)器人對(duì)于傳感器的需求是不一樣的。比如在預(yù)碰撞檢測(cè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的主要目的是不讓碰撞發(fā)生，因此傳感器的職責(zé)就是環(huán)境感知。實(shí)現(xiàn)的路線有很多，比如基于視覺的環(huán)境感知，基于毫米波雷達(dá)的環(huán)境感知，還有基于激光雷達(dá)的環(huán)境感知等，那么就需要配合對(duì)應(yīng)的傳感器和算法。

當(dāng)碰撞發(fā)生之后，重要的是協(xié)作機(jī)器人要第一時(shí)間知曉碰撞點(diǎn)和碰撞的程度，以采取進(jìn)一步的措施防止情況進(jìn)一步惡化。碰撞檢測(cè)傳感器便是在此時(shí)發(fā)揮作用。常見的碰撞傳感器主要有機(jī)械式碰撞傳感器、磁力式碰撞傳感器、壓電式碰撞傳感器、應(yīng)變式碰撞傳感器、壓阻片式碰撞傳感器和水銀開關(guān)式碰撞傳感器等。

我們都知道，協(xié)作機(jī)器人在工作時(shí)，機(jī)械臂會(huì)被施加來(lái)自很多方向的力矩，用以讓機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)起來(lái)進(jìn)行工作。如下圖所示，搭載碰撞傳感器的保護(hù)系統(tǒng)在檢測(cè)到碰撞發(fā)生之后，會(huì)施加合力矩、轉(zhuǎn)矩以及軸向負(fù)載的反作用力，協(xié)作機(jī)器人會(huì)立刻停止工作。

圖2：機(jī)械臂保護(hù)系統(tǒng)框圖（圖源：ATI）

如果你已經(jīng)迫不及待想要實(shí)現(xiàn)一款具有高度安全性的協(xié)作機(jī)器人，下面這兩款貿(mào)澤電子在售的傳感器都是很不錯(cuò)的選擇。

具有高分辨率閾值的三軸數(shù)字加速度計(jì)

上文中提到，目前用于協(xié)作機(jī)器人的碰撞檢測(cè)傳感器已經(jīng)非常多了，在此我們展開說(shuō)一下三軸數(shù)字加速度計(jì)。

三軸數(shù)字加速度計(jì)可以用于測(cè)量物體在三個(gè)坐標(biāo)軸上的加速度，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，以此計(jì)算加速度計(jì)值之間的差值，當(dāng)差值累計(jì)超過(guò)閾值時(shí)，則確認(rèn)系統(tǒng)發(fā)生了碰撞。三軸數(shù)字加速度計(jì)是目前行業(yè)里用以確認(rèn)碰撞發(fā)生的簡(jiǎn)單方式之一。

下面我們就為大家介紹一款貿(mào)澤電子在售的，可用于協(xié)作機(jī)器人碰撞檢測(cè)的三軸數(shù)字加速度計(jì)，來(lái)自制造商ROHM Semiconductor，這款器件在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號(hào)為KX132-1211。

圖3：KX132-1211三軸數(shù)字加速度計(jì)（圖源：貿(mào)澤電子）

KX134和KX132三軸數(shù)字加速度計(jì)是兩款硅微機(jī)械加速度計(jì)，具有用戶可配置的3級(jí)高級(jí)數(shù)據(jù)路徑(ADP)，其中包含低通濾波器、低通/高通濾波器和RMS計(jì)算引擎，還配備了先進(jìn)的喚醒和睡眠檢測(cè)功能。

圖4：KX132-1211三軸數(shù)字加速度計(jì)功能框圖（圖源：ROHM Semiconductor）

圖5：KX132-1211三軸數(shù)字加速度計(jì)啟動(dòng)時(shí)間框圖（圖源：ROHM Semiconductor）

KX134和KX132三軸數(shù)字加速度計(jì)具有高分辨率閾值和高精度。其中，高分辨率閾值可配置到低至15.6mg，還在整個(gè)溫度范圍內(nèi)降低了噪聲并改善了線性度。

在精度方面，KX134-1211用戶可配置的g值范圍可達(dá)±64g，輸出數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)25600Hz；KX132-1211用戶可配置的g值范圍可達(dá)±16g，輸出數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)25600Hz 。兩款三軸數(shù)字加速度計(jì)都集成了自由落體、Directional-Tap?/Double-Tap?和設(shè)備定向算法，提高了低功耗模式下基于溫度的ODR精度。

KX134和KX132三軸數(shù)字加速度計(jì)還具有出色的耐熱性能和耐沖擊能力，并內(nèi)置穩(wěn)壓器，可應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的工作環(huán)境。

靈敏度可選的法蘭安裝式磁簧傳感器

磁力式碰撞傳感器也是一種應(yīng)用廣泛的碰撞檢測(cè)傳感器，它通過(guò)磁性材料的磁性特性來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量。作為磁力式碰撞傳感器的一種，應(yīng)用于協(xié)作機(jī)器人上時(shí)，磁簧傳感器更多是用于限位和安全訪問(wèn)。

接下來(lái)我們?yōu)榇蠹彝扑]一款超小型法蘭安裝式磁簧傳感器，來(lái)自制造商Littelfuse，貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號(hào)為59155-1-S-02-A。

圖6：Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器（圖源：貿(mào)澤電子）

59155和59156是Littelfuse新推出的超小型法蘭安裝式磁簧傳感器，與目前市場(chǎng)上類似尺寸的產(chǎn)品相比，59155和59156更加小巧，尺寸僅為12.70mm x 9.00mm x 3.00mm，僅占用1.09cm2電路板空間。

尺寸雖小，不過(guò)Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器的性能很出色。59155和59156具有非常高的切換能力，可以在10W的條件下切換120VAC/170VDC。這些法蘭安裝式磁簧傳感器采用非接觸式開關(guān)，適合用于潮濕和惡劣環(huán)境。他們的法蘭支座的外殼設(shè)計(jì)支持可定制，具有絕佳的可調(diào)節(jié)性，使其適合不同行業(yè)的各種小間距應(yīng)用，這當(dāng)然也包括從事嚴(yán)苛復(fù)雜工作的協(xié)作機(jī)器人。

Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器采用殼體設(shè)計(jì)，可使用M2螺絲以0.1Nm扭矩進(jìn)行安裝，也支持黏合式安裝，因此非常易于使用。除了應(yīng)用于協(xié)作機(jī)器人的接近/限位傳感、安全和訪問(wèn)控制，這些法蘭安裝式磁簧傳感器也可用于工廠自動(dòng)化、加工設(shè)備、家電和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

協(xié)作機(jī)器人的柔性交互

對(duì)于協(xié)作機(jī)器人，很多人都熟知它是工作制造領(lǐng)域柔性生產(chǎn)的重要組成部分。面向未來(lái)，協(xié)作機(jī)器人在包括碰撞檢測(cè)等方面的發(fā)展也需要更加柔性。上述我們?cè)斒隽藚f(xié)作機(jī)器人的碰撞檢測(cè)，現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。不過(guò)，從用戶的角度來(lái)看，這明顯還不夠。

在部署時(shí)，協(xié)作機(jī)器人對(duì)于環(huán)境的了解還是半自適應(yīng)的，需要人類操作其在工作空間內(nèi)巡航至少一次才能夠?qū)β肪€有大致理解。在和人類交互時(shí)，目前協(xié)作機(jī)器人為了避免碰撞，基本采取直接停止工作的方式應(yīng)對(duì)，和我們理想中的人機(jī)協(xié)作還有差距。為了進(jìn)一步提升柔性交互的體驗(yàn)，感知能力、學(xué)習(xí)能力等方面還需要精進(jìn)，需要更好的傳感器和算法支持。

未來(lái)的協(xié)作機(jī)器人必將會(huì)更加智能、靈活、多功能和人性化，貿(mào)澤電子也將持續(xù)將先進(jìn)的器件帶給大家，與行業(yè)和從業(yè)者共同成長(zhǎng)。

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