1.2 力传感器是机器人实现主动柔顺控制的核心部件
六维力测量技术属于平台型技术,根据应用场景的环境、载荷、安装、通讯、算 力、动力学特性等需求不同,在不同的应用领域,六维力传感器的产品形态和技 术特点也有较大区别。目前,六维力传感器主要应用于汽车行业的碰撞测试、轮 毂、座椅等零部件测试以及航空航天、生物力学、医疗领域、科研实验、机器人 与自动化等领域。
在汽车领域,六维力/力矩传感器被广泛地用在汽车部件和系统级测试、发动机 和动力总成测试、车辆和试验厂测试、总装和最终测试。它们在确定新车和部件 设计的完整性和优化方面都能发挥重要作用,同时还有助于保证效率、安全性和 正确的功能。航空航天领域是六维力传感器最早的重要应用领域之一,可用于测量风洞试验、 飞机、卫星、火箭等飞行器各种运动状态下的六维力信息,通过这些信息,飞行 器可以更加准确地感知环境,控制姿态,完成各项任务。随着航空航天技术的不 断发展和应用的深入,六维力和力矩传感器还可以用于飞机制造、飞行器着陆和 起飞过程的监测、机械臂控制、结构健康监测等领域。六维力传感器的应用能够 提高航空航天系统的性能、安全性和可靠性。
在医疗手术和康复领域,手术机器人的力感知可作为力反馈的依据以提升手术的 安全性。根据临床场景的不同,手术机器人主要分为腔镜机器人、骨科机器人、 穿刺机器人、经自然腔道机器人、泛血管机器人等五类机器人。目前,协作机械 臂+六维力传感器的组合已广泛应用于血管介入手术机器人、外科手术机器人、 医疗检测机器人及远程操控机器人等;中国手术机器人行业处于早期发展阶段, 增长潜力较大。根据 GGII预计,未来 3-5年,骨科机器人和泛血管手术机器人将 占手术机器人市场的 20%以上。随着技术的不断进步和应用的深入,六维力传感 器在医疗领域的应用前景将会更加广阔,六维力传感器产品将逐渐成为类似应用 场景中的刚需。
柔顺控制可解决很多传统位置控制难以解决的问题,有利于扩展机器人的功能。在许多交互任务中需要机器人与对象或环境发生接触,两者接触时,会在接触面 之间产生相互作用力,只靠位置控制可能导致很大的误差。由于采用位置控制的机器人可通过结构化环境的设置,依靠快速、精准的位置控制预设编程完成“固 定轨迹”的任务。而在执行接触任务时,末端执行器与规划轨迹之间的微小偏差 就可能导致机械臂与物体表面脱离接触或在接触面上施加过强的压力;对于机器 人的高刚性结构,微小的位置误差可能会导致非常大的作用力甚至灾难性的后果。所以为了实现交互任务,机器人需要表现出柔顺性。柔顺力控主要是从力传感器 获得力信号,再将其转化为机器人的控制信号,使机器人响应此信号而动作。
人机协作要以机器人的柔顺控制作为前提。当与机器人产生交互的外界环境发生 改变,机器人应对这种改变产生顺应性变化,这就是所谓的柔顺性。如让机器人 末端执行器在受到环境扰动时能保持与环境的恒定接触力,或是机器人顺应操作 人员施加的外部牵引力,以运动到操作人员期望的位置。柔顺控制主要分为主动柔顺控制和被动柔顺控制。被动柔顺控制主要依靠一些机 械装置(如减震器、弹簧等)使机器人表现出对环境的柔顺特性,主动柔顺控制 依靠控制策略令末端产生需要的刚度、阻尼或力作用以达到柔顺的目的。在实际 应用中,仅有少数的机器人在与环境接触中具有非常有限的主动柔顺能力。