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感测技术不断进步 机器手臂能胜任的工作越来越多元化

导读: 许多过去只能靠人工操作的组装流程,例如软板(PFC)、缆线的插件作业,现在也能靠机器手臂代劳;有些连人力都不见得能做得好的微米级精密组装,只要搭配正确的感测技术,机器手臂也能大展身手。

除了最基本的取放(Pick&Place)应用外,由于感测技术不断进步,现在机器手臂能胜任的工作已越来越多元化。 许多过去只能靠人工操作的组装流程,例如软板(PFC)、缆线的插件作业,现在也能靠机器手臂代劳;有些连人力都不见得能做得好的微米级精密组装,只要搭配正确的感测技术,机器手臂也能大展身手。

力觉感测技术就是让机器手臂也能胜任软板/缆线插件、微米级精密组装等“细活”的关键。 藉由力觉感测,手臂能感知其所接触的对象反馈给机器手臂的力量,同时也让手臂得以精准地控制其对工件所施加的力道。 这不仅让手臂得以胜任各种需要纤细力道控制的工作,对容易破碎的物体进行作业,也让手臂能够精准地把工件插入孔位。

力觉感测结合手臂的特殊考虑因素

对机器手臂而言,除了机器视觉之外,力觉也是一个很常见的配套感测技术。 但相较于视觉,力觉感测属于接触式感测,因此力觉感测的设计开发要顾虑到许多机械结构的因素。

虽然力觉感测的技术流派众多,但大致上都可用弹簧跟阻尼的概念来理解,因此,当手臂上的力觉传感器受到一股外力作用时,传感器会有程度不一的变形。

除了传感器本身的变形外,另一个会影响到传感器运作的机械性因素是传感器跟控制器的配线。 目前市面上绝大多数的机器手臂若要搭载力觉传感器,都是用外挂的方式加装在手臂上,传感器与控制器之间的连接线缆则裸露在手臂本体外。 因此,若配线时没有保留适当的裕度,手臂伸缩运作会拉扯到配线,使力觉传感器受力,从而影响力觉传感器的读数。

图1跟图2是两种力觉传感器整合在机器手臂上的配线方式,图1是完全外露的配线方式,图2则是让线路在机械手臂内部走线。 在由图2可看出,在设计时就考虑到整合力觉传感器需求的机种,像是爱普生(Epson)的C8系列机器手臂,在配在线会相对轻松许多,因为裸露在外的线路很短,不太需要担心手臂运动会拉扯到线路,影响力觉感测。

感测技术不断进步 机器手臂能胜任的工作越来越多元化

除了机械性因素外,传感器本身的噪讯水平,也是影响传感器精准度的一个重要因素。 为了获得更好的分辨率,传感器本身的噪讯水平必须非常低,否则讯号会被噪声盖过。

简化开发/降低成本 统一软硬件平台有大用

不可讳言的是,力觉感测是一种成本较高,应用上也有比较多因素需要考虑的技术,因此,目前力觉感测在产在线的运用还没到十分普及的地步。 如何降低门坎,遂成为手臂/力觉方案供货商必须面对的课题。

就如同机器视觉跟机器手臂采用统一平台,可以带来很显著的效益。 力觉跟手臂供货商如果能预先考虑到整合应用的需求,在产品设计时就提出完整的对策,也可帮用户跟系统整合者省下许多麻烦。 前面提到,在手臂本体上预留力觉传感器的连接接口,就是一个很显著的例子。

不过,如果是只提供机器手臂或力觉感测方案的业者,要在产品设计时间就有这么周延的考虑,其实有实务上的困难,而这也是由单一供货商包办整套方案的优势所在。

以爱普生为例,在硬件面,除了手臂上预留连接接口之外,如果能直接在手臂控制器上内建力觉传感器接口,就有机会帮用户省下额外采购力觉感测处理器的成本。 如果是在比较单纯的应用情境,例如一支手臂搭配一颗力觉传感器的状况下,爱普生的手臂控制器(CU Controller)可以透过安装适配卡的方式,直接与力觉传感器建立联机。 但如果应用需要用到多颗力觉传感器,则可以采用额外的一对多处理器,再与手臂控制器连接(图3)。

感测技术不断进步 机器手臂能胜任的工作越来越多元化

在软件整合层面,如果手臂跟力觉传感器来自两家不同的供货商,系统整合者(SI)或制造业者内部的自动化工程团队,也很难期望能用同一套开发工具为手臂跟力觉编写控制程序,数据抛转也会是个蛮麻烦的问题。 但如果手臂跟力觉来自同一家供货商,不仅开发工具统一,甚至连程序撰写都会变得相当轻松。

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