機(jī)器人力/力矩反饋控制，海伯森六維力傳感器實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景落地

上世紀(jì)70年代，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)程開(kāi)始起步，機(jī)器人在各行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣，從簡(jiǎn)單的替代低精度的重復(fù)勞動(dòng)，到通過(guò)高精度傳感器獲得感官功能，未來(lái)向著人工智能方向發(fā)展。

機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展可分為三個(gè)階段四大層次，三個(gè)階段發(fā)展的關(guān)鍵因素分別是人口紅利因素、工程師紅利優(yōu)勢(shì)和人工智能技術(shù)優(yōu)勢(shì)等。中國(guó)憑借強(qiáng)大的人口優(yōu)勢(shì)快速地度過(guò)了自動(dòng)化階段，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有眾多工業(yè)機(jī)器人龍頭企業(yè)；目前我國(guó)和日本、韓國(guó)等領(lǐng)先國(guó)家一樣處于機(jī)器智能向人工智能過(guò)渡階段；在人工智能技術(shù)積累方面我國(guó)也處于世界前列。

六維力覺(jué)感知拓寬應(yīng)用邊界

在目前的工業(yè)界，幾乎都在使用傳統(tǒng)的位置控制，例如讓機(jī)械臂沿著事先規(guī)劃好的軌跡在封閉、確認(rèn)的空間中運(yùn)動(dòng)。或者從視覺(jué)系統(tǒng)（Vision System）的反饋，使得位置控制的機(jī)器人具備一定適應(yīng)外界可變環(huán)境的能力。從自動(dòng)化到機(jī)器智能、人工智能的邁進(jìn)，要借助于高精度的傳感器。靈敏的視覺(jué)系統(tǒng)是機(jī)器人的眼睛，除了幫助機(jī)器人更好的工作，還能保障工作安全。但隨著機(jī)器人應(yīng)用邊界的不斷拓寬，單單靠視覺(jué)賦能已經(jīng)滿足不了復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用，此時(shí)就必須引入力/力矩控制輸出量，或者將力/力矩作為閉環(huán)反饋量引入控制。由于機(jī)械臂和工作面的接觸常常是未知的復(fù)雜曲面，因而這種力/力矩的感知，必須是多維的。我們說(shuō)的六維力傳感器，是指測(cè)量空間X、Y、Z三個(gè)方向上的力和扭矩的傳感器。

六維力傳感器（6-Dimension Force Torque Sensor）是力傳感器中一種新發(fā)展起來(lái)的傳感器，能同時(shí)轉(zhuǎn)換多維力/力矩信號(hào)為電信號(hào)，可用于監(jiān)測(cè)方向和大小不斷變化的力與力矩和測(cè)量加速度或慣性力以及檢測(cè)接觸力的大小和作用點(diǎn)。

六維力傳感器可以賦予機(jī)器人力與扭矩的感知變化，在完成簡(jiǎn)單機(jī)械重復(fù)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上去做更復(fù)雜的工作，如精密裝配（Precision Assembly）、力控柔性抓取(Force Controlled Flexible Pick & Place)、拋光打磨（Polishing）、插拔拼裝（Insertion & Assembly）等，其工作質(zhì)量直接取決于機(jī)器人對(duì)力的感知與控制精度和速度。為什么要一直提力控？力控為什么這么重要？行業(yè)內(nèi)有一種共識(shí)，未來(lái)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，必須引入力控（Force Control），純位置控制（Depending Only on Position Control）是沒(méi)有前途的。

作為一家專(zhuān)注于研發(fā)高端智能傳感器的科技公司，海伯森HYPERSEN憑借在工業(yè)力學(xué)、光學(xué)領(lǐng)域的多年經(jīng)驗(yàn)，自主研發(fā)生產(chǎn)了光譜共焦位移傳感器、超高速工業(yè)相機(jī)、六維力傳感器、激光對(duì)針傳感器等多種高端智能傳感器，產(chǎn)品獲得了多項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利并通過(guò)了CE \ FCC \ RoHS \ IEC62471 \ IEC60825等國(guó)際認(rèn)證。其中，HPS-FT系列六維力傳感器作為海伯森的經(jīng)典產(chǎn)品，提供了更優(yōu)越的機(jī)器人力控解決方案，并且在六維力控中賦予了更高的性能和可操作性。

衡量六維力傳感器性能的主要指標(biāo)有，量程、精度、抗過(guò)載能力、數(shù)據(jù)輸出頻率、非線性度、蠕變、遲滯、零漂、溫漂、軸間串?dāng)_，此外還有解耦算法、濾波算法、溫度補(bǔ)償算法等等。六維力傳感器作為賦予機(jī)器觸覺(jué)的傳感器，在機(jī)器人和機(jī)電一體化設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用。六維力傳感器的力控精度、量程、以及在各類(lèi)環(huán)境下的抗干擾能力都是影響客戶體驗(yàn)感的因素。要做好這些，對(duì)產(chǎn)品提供方的軟硬件研發(fā)能力提出了很高的要求。

在硬件方面，海伯森自研的HPS-FT系列六維力傳感器采用了高精度應(yīng)變計(jì)和緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更高的信噪比和靈敏度，IP67防塵防水，在多數(shù)惡劣工業(yè)環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精確采集；在軟件方面，六維力傳感器內(nèi)置的溫度補(bǔ)償算法大大降低了由于溫度變化導(dǎo)致的溫度漂移，高精度解耦、濾波算法等實(shí)現(xiàn)了六維力傳感器的低零漂、低溫漂、低軸間串?dāng)_的良好性能。

六維力控多場(chǎng)景落地

隨著機(jī)器人在工業(yè)和生活中的應(yīng)用場(chǎng)景愈加廣泛，在機(jī)器人行業(yè)中基本達(dá)成共識(shí)：未來(lái)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，必須引入力控，純位置控制是沒(méi)有前途的。未來(lái)，對(duì)機(jī)器人的要求是走進(jìn)人類(lèi)的生活，不僅需要機(jī)器人安全地與人類(lèi)做物理上的交互，還要求做到柔順的阻抗控制，具備在未知環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)的能力和快速的動(dòng)態(tài)控制調(diào)整能力，以上的所有，都離不開(kāi)——力/力矩控制。

力控傳感器一般安裝于機(jī)器人“四肢”，六維力傳感器通過(guò)法蘭與機(jī)械臂的末端關(guān)節(jié)固定連接，機(jī)器手臂末端的六維力傳感器測(cè)得X、Y、Z方向的力和力矩?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)電纜傳輸給機(jī)器人從而實(shí)現(xiàn)六維力控。在工業(yè)自動(dòng)化中，海伯森HPS-FT系列六維力傳感器高達(dá)2000Hz的輸出頻率可使機(jī)器人實(shí)時(shí)感知并控制力和力矩的大小，力控精度達(dá)0.05N（Fxy、Fz方向），0.001Nm（Mxy、Mz方向）。通過(guò)六維力傳感器，可實(shí)現(xiàn)力控拋光打磨、細(xì)小工件精密裝配、軟包柔性抓取、USB柔性插拔、擰螺栓等工作。

力控打磨

精密裝配

USB插拔

力控?cái)Q螺栓

除了力與力矩的控制方面，海伯森HPS-FT系列六維力傳感器的EtherCAT/Ethernet適配器的IO可與機(jī)器人的急停IO相連接，并設(shè)置報(bào)警閾值。當(dāng)閾值超出，適配器通過(guò)IO信號(hào)對(duì)機(jī)器人發(fā)布急停命令，使其暫停。六維力傳感器超敏感的壓力傳導(dǎo)系統(tǒng)，具有良好的防碰撞急停功能，可有效保護(hù)用戶人身安全，防止設(shè)備的損壞。

搭載了六維力傳感器的機(jī)器人也能基于模糊自適應(yīng)導(dǎo)納控制，準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端接觸力。通過(guò)拖動(dòng)示教，記錄路徑和力度并做重復(fù)性工作，是機(jī)器人最常被安排的工作。在醫(yī)療康復(fù)行業(yè)，為病人活動(dòng)受傷的部位，頸椎正骨牽引康復(fù)等工作越來(lái)越多的交給機(jī)器人。

為適應(yīng)不同場(chǎng)景工作要求，海伯森HPS-FT系列六維力傳感器研發(fā)了多種不同的型號(hào)，傳感器HPS-FT120最大量程達(dá)5000N、150Nm，傳感器HPS-FT025最小可達(dá)150N、4Nm，400%-500%的靜態(tài)抗過(guò)載能力，覆蓋了大部分應(yīng)用的負(fù)載范圍。此外，還設(shè)置了不銹鋼材質(zhì)的HPS-FT060S，它具有更強(qiáng)的剛性，可適應(yīng)更高強(qiáng)度工作和更復(fù)雜的工作環(huán)境。

人類(lèi)通過(guò)各種感官確認(rèn)物體的形狀和位置，未來(lái)，機(jī)器人或許也能像人類(lèi)一樣，通過(guò)眼睛鎖定，耳朵聽(tīng)見(jiàn)，皮膚觸摸，鼻子嗅聞來(lái)準(zhǔn)確鎖定物體位置、形狀及狀態(tài)。海伯森，致力于建立一流的高端智能傳感器品牌，堅(jiān)持“技術(shù)贏市場(chǎng)，誠(chéng)信待客戶”的原則，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)傳感器科技賦能“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”的轉(zhuǎn)變，助力工業(yè)機(jī)器人更加智能化、柔性化，協(xié)助機(jī)器人走向“人機(jī)共融”。