六維力傳感器在工業打磨和裝配領域的應用

文章出處：網絡人氣：發表時間：2020-03-25 11:40:14

機器人打磨市場

從國家政策方面來看，核心傳感器是作為工業4.0時代的一個很重要的基石，在《中國制造2025》、《“十三五”國家科技創新規劃》、《新一代人工智能發展規劃》等多個規劃里面，都將傳感器的研發作為規劃重點之一。有相關機構預測，到2025年我國工業互聯網市場規模將達到10.8萬億元，其中，傳感器作為數據采集的入口、工業互聯網的“心臟”，將迎來巨大的發展空間。

目前，傳感器系統也正朝著著微小型化、智能化、多功能化和網絡化的方向發展。由中國信通院前瞻產業研究院整理的數據表明，2018年傳感器市場規模達1472億元，同比增長在10%以上，預計在2023年，我國傳感器市場規模將達2703億元。就打磨工藝來講，大致分為四種，即磨削加工、粗磨、精磨、去毛刺（清除工件已加工部位周圍所形成的刺狀物或飛邊）。

傳統打磨行業痛點

目前來看，傳統工業打磨行業普遍都有以下痛點：第一，危險系數大，傳統的打磨由于產生的粉塵排出不及時，容易引發爆炸事故危及人身安全；第二，工件一致性差，打磨質量和工人的手法密切相關，工件品質不一；第三，生產效率低，傳統人工打磨效率低，還存在廢品率高的問題；第四，人工成本高，招工留工難。

機器人打磨的優點

由此來看，機器人打磨是屬市場剛需，而機器人打磨也正能很好地解決這些問題，與傳統的人工打磨相比，機器人打磨有以下優點：密閉式的機器人工作站，將高噪音和粉塵與外部隔離，減少環境污染；操作工不直接接觸危險的加工設備，避免工傷事故的發生；機器人能保證產品加工精度的一致性，不僅保證了質量的可靠，而且降低了廢品率；

機器人替代熟練工，不但降低人力成本，而且也不會因為操作工的流失而影響交貨期；機器人可以24小時連續作業，生產效率大幅提高；用戶可更具不同樣件進行二次編程開發，縮短產品改型換代周期，減少相應的投資設備。

六維力傳感器是什么？

我們今日的主題是《六維力傳感器在工業打磨和裝配領域的應用》，那么什么是六維力傳感器？

我們先來認識一下力覺傳感器，力覺傳感器是一類觸覺傳感器，它在機器人和機電一體化設備中具有廣泛的應用。力和力矩傳感器是用來檢測設備內部力或與外界環境相互作用力為目的，力不是直接可測量的物理量，力是通過其他物理量間接測量出的。

力傳感器可用作變換器，如應變元件，它可提供一個與變形、亦即作用于接觸點的力成正比的信號。力覺傳感器可以檢測機器人有關部件（如手腕、手指）所受外力及轉矩，可以控制手腕移動，伺服控制，準確完成作業。

六維力傳感器是力傳感器中一種新發展起來的傳感器，能同時轉換多維力/力矩信號為電信號，可用于監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。

廣義六維力傳感器能夠檢查空間任意力系中的三維正交力（fx、fy、fz）及三維正交力矩（mx、my、mz），由于其測力信息豐富、測量精度高等特點，主要應用在力及力-位控制場合，六維力/力矩傳感器為機器人控制提供力感信息，是智能機器人重要的傳感器。

六維力傳感器研究現狀

國際上對多維力傳感器的研究是從20世紀70年代初開始的，主要研究單位有美國的DRAPER實驗室、 SRI (Stanford Research Institute，斯坦福研究所)、JPL實驗室、IBM公司和日本的日立公司、東京大學等單位。

國內對六維力傳感器的研究是在上世紀80年代初期開始的，中科院合肥智能機械研究所于1987 年研制出我國第一臺六維腕力傳感器，之后陸續有哈爾濱工業大學、華中理工大學、東南大學等單位研制出多種規格的多維力/力矩傳感器，展現了我國多維力/力矩信息獲取研究領域的蓬勃發展態勢。目前在六維力傳感器研究較多的院校有燕山大學、哈工大，大連理工等。

近年，研究熱點更多的關注在多維力/力矩傳感器的應用領域，如現代工業機器人怎么樣充分利用多維力/力矩傳感器以及其它感知系統來完成各種環境下更多更復雜的機器人作業，使工作更加精確、生產效率更高、成本更低；如將多維力/力矩傳感器利用到工業機器人自動裝配生產線，結合更實時更有效的算法，使智能工業機器人能夠更好的進行精密柔性機械裝配、輪廓跟蹤等作業。

在六維力傳感器研究中，力敏元件的結構設計是力傳感器的關鍵核心問題，因為力敏元件的結構決定力傳感器的性能優劣。對此，國際和國內許多學者進行了大量的研究工作，提出了多種六維力傳感器結構，如下圖展示：

工業打磨中的六維力傳感器

六維力傳感器在工業級的主要運用領域是裝配和打磨，打磨是機器人運用很廣泛的一個領域，就目前的市場情況來看，對于打磨精度要求較高的行業主要是3C行業，而且3C行業勞動密集度高，迫切需要實現自動化改造。再加上3C行業的柔性化需求，需要更高智能的打磨機器人才能更好的滿足市場需求。

六維力傳感器通過傳感器固定座與機械臂的末端關節固定連接。靜態條件下，機械手腕部六維力傳感器測得的力和力矩數據由三部分組成，即傳感器自身系統誤差、負載重力作用、負載所受外部接觸力。在加工、裝配等工業機器人應用中，機器人末端工具或工件與外界環境的接觸力需要被精確的感知，控制系統據此修改機器人的運動，才能保證作業的柔順性。

傳感器的市場挑戰

雖然六維力傳感器在機器人自由度上可以達到六個維度的自由度，大大提升機器人的智能水平，但是目前工業領域市場上的使用情況并不是很樂觀，特別是國內市場用到六維力傳感器的打磨機器人產品并不是很多。

目前用到浮動主軸的方式比較多，單維力控。原因主要有兩個方面：1、在對精密打磨要求不高的行業，目前的力傳感器就能滿足打磨工序的需要，企業不愿意花更大的代價去購買配置了六維力傳感器的打磨設備；2、目前六維力傳感器的價格相對昂貴，更新改造成本較高。

傳感器的市場機遇

隨著工業加工、制造業的發展越來越精細化，精密裝配行業如3C行業對生產機器人的要求也會提高，具備更高性能的傳感器如六維力傳感器也將迎來新的發展機遇。目前超過 90%的工業自動化作業是傳統機器人無法完成的，包括精密打磨、精密裝配、機械管理、備料、裝貨卸貨、包裝等還未實現完全自動化。人機協作機器人可以部分彌補傳統工業機器人的不足，完成機械管理等工作。2015年全球機器人行業及相關服務市場規模為710億元，預計 2019 年可達 320 億美元。六維力傳感器作為人機協作機器人的重要部件，在人機協作應用中發揮著至關重要的作用。