工业机械臂

柔性机器人技术:工业机器人发展的下一方向

经过半个多世纪的发展,工业机器人已经广泛应用于制造业的许多方面,但仍有大量的生产环节需要人工完成。目前,机器人工人的数量仍不到人类工人数量的1%,对机器人工人的需求远远没有得到满足。如果把范围扩大到商业、医疗康复等广义的生产活动,需求会更大。面对这些需求,传统工业机器人的局限性在哪里?我们需要什么样的机器人?

工业机器人的优缺点:传统工业机器人是从电机演变而来的,与手动机器人相比,具有承载能力大、速度快、位置精度好的优点。缺点是应对环境不确定性的调节能力差,智能化程度低。在传统工业机器人的基础上,协同机器人可以减轻结构重量,限制电机的功率和速度,保证与人在同一空间工作的安全性,本质上是工业机器人的一个分支。

工业机器人(包括协作机器人)都控制机器人的位置,一般采用示教-执行的开环过程,只能应用于严格结构化的场景,无法很好地处理场景中的不确定性。比如在零件的装配中,零件的公差配合精度远高于机器人位置控制,仅靠位置控制是无法完成装配的。然而凭借力的感觉、手臂的灵活性以及学习和决策的能力,手册可以轻松完成装配动作。因此,目前工厂在零部件装配方面需要大量的工人,工业机器人在这方面做了很多应用尝试,但效率很难pk人。

柔性机器人的区别和好处是什么?传统工业机器人虽然也可以借助末端力传感器实现力觉控制,但受限于面向位置的控制架构,力觉闭环环节多、响应慢、节拍慢,难以与人手相比。柔性机器人的软硬件架构与传统工业机器人不同:每个关节都配备了一个力传感器,底层控制架构由原来的位置控制转变为力与位置融合控制,使机器人兼具高精度位置控制和高动态力控制。

所谓高动态力控制,即力的闭环频率比工业机器人提高一两个数量级,力响应更灵敏。同时可以模拟人体手臂肌肉控制的柔顺特性,使机器人具备应对环境不确定性的能力。比如在零件装配场景中,我们可以控制相应方向的主动柔顺,模拟人手顺应位置偏差,进行柔顺装配。例如,对于复杂曲面抛光,柔性机器人控制向前方向的位置和抛光压力方向的力,通过机械臂的柔度调节来适应曲面的弯曲变化,符合人工操作的特点。

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