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

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

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

六維力覺感知拓寬應(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。或者從視覺系統(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，單單靠視覺賦能已經(jīng)滿足不了復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用，此時就必須引入力/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。我們說的六維力傳感器，是指測量空間X、Y、Z三個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)展起來的傳感器，能同時轉(zhuǎn)換多維力/力矩信號為電信號，可用于監(jiān)測方向和大小不斷變化的力與力矩和測量加速度或慣性力以及檢測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，在完成簡單機(jī)械重復(fù)運(yùn)動的基礎(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，未來的機(jī)器人運(yùn)動控制領(lǐng)域，必須引入力控（Force Control），純位置控制（Depending Only on Position Control）是沒有前途的。

作為一家專注于研發(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、激光對針傳感器等多種高端智能傳感器，產(chǎn)品獲得了多項(xiàng)國家專利并通過了CE \ FCC \ RoHS \ IEC62471 \ IEC60825等國際認(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)變計和緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計，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。

六維力控多場景落地

隨著機(jī)器人在工業(yè)和生活中的應(yīng)用場景愈加廣泛，在機(jī)器人行業(yè)中基本達(dá)成共識：未來的機(jī)器人運(yùn)動控制領(lǐng)域，必須引入力控，純位置控制是沒有前途的。未來，對機(jī)器人的要求是走進(jìn)人類的生活，不僅需要機(jī)器人安全地與人類做物理上的交互，還要求做到柔順的阻抗控制，具備在未知環(huán)境中的運(yùn)動的能力和快速的動態(tài)控制調(diào)整能力，以上的所有，都離不開——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得X、Y、Z方向的力和力矩數(shù)據(jù)，并通過電纜傳輸給機(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

力控擰螺栓

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)置報警閾值。當(dāng)閾值超出，適配器通過IO信號對機(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。通過拖動示教，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)，為病人活動受傷的部位，頸椎正骨牽引康復(fù)等工作越來越多的交給機(jī)器人。

為適應(yīng)不同場景工作要求，海伯森HPS-FT系列六維力傳感器研發(fā)了多種不同的型號，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。

人類通過各種感官確認(rèn)物體的形狀和位置，未來，機(jī)器人或許也能像人類一樣，通過眼睛鎖定，耳朵聽見，皮膚觸摸，鼻子嗅聞來準(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，堅持“技術(shù)贏市場，誠信待客戶”的原則，推動國產(chǎn)傳感器科技賦能“中國制造”向“中國智造”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”。