行业的见解
力和触觉传感器给机器人一种工作感觉
发布07/27/2018
作者:塔尼亚·m·阿南丹，特约编辑
触觉是我们最有价值的感官输入之一。想象一下你如何把钥匙插进锁里。你用眼睛来大致定位键槽的位置，但当你把钥匙滑进开口时，你用你的触觉来做最后的调整。这对人类来说是很自然的。我们几乎不去想它。
机器人也受益于触觉。力和触觉传感器使机器人能够在结构松散的环境中以更高的精度和灵敏度操作物体。
大多数为协作应用设计的机器人都具有内置的力和扭矩传感功能，以确保安全，特别是在与人类近距离或直接工作时。但这不是我们的重点。我们正在探索力和触觉传感器，无论是独立的还是集成的，都可以实现实际工作。枯燥、重复、肮脏和危险的任务，我们人类喜欢把它们交给我们的机械电子工人。
得益于成熟的传感器解决方案、新的设计和智能软件，我们正在实现一个机器人“感觉”他们触摸的未来。
在机器人领域，就像在人类领域一样，视觉和触觉是互补的形式。业内专家预计，触摸传感将很快加入视觉技术，成为主流机器人应用的一部分。
“世界上很少有大型制造工厂不配备视觉系统，”位于北卡罗来纳州Apex的ATI工业自动化力/扭矩传感器产品经理Ian Stern说。“这就是力感技术的发展方向。随着我们开始将需要触觉的工作自动化，力感将变得像视觉一样普遍。”
力和扭矩传感实现了诸如磨削、去毛刺、磨砂和抛光等机器人过程。在机器管理中，力扭矩传感器可以帮助机器人在数控机床的虎钳中放置零件时定位夹具停止。力传感还有助于产品测试、包装和机器人装配应用。
活塞填料，或将活塞插入发动机缸体，是力和扭矩传感的常见应用。这种应用所要求的精度超出了视觉技术本身。
斯特恩说:“这些部位周围有一个缝隙，厚度只有人类头发的十分之一。”“视觉很好，但还不足以准确定位一个部件。而且机器人也无法精确到完美对齐。当你有这些类型的应用时，触觉真的是将这些部分组合在一起的唯一方法，这就是力感技术的用武之处。”
力扭矩传感器基于应变计、光学或电容技术等多种类型。每种技术都有不同的性能水平、寿命、校准要求和成本。我们不讨论细节力传感器的工作原理无数的应用，无论是在工业领域内外，到其他来源，已经解决了这个问题。
ATI六轴力扭矩传感器测量x, y, z的力和x, y, z的扭矩。它们由一块坚固的铝片加工而成，具有非常坚硬的整体结构。ATI采用硅应变计技术，可以测量极少量的挠度。小的挠度也给了传感器高分辨率和高刚度。
“即使我们在末端施加非常重的载荷，它也只偏转了非常小的量。这对机器人来说真的很重要。”“很多人在这些高精度机器人上花了额外的钱，这些机器人有非常精确的工具中心点。如果传感器在负载下偏转很多，你就会放弃这种精度。”
斯特恩说，电子产品组装推动了大量的需求ATI最新的力扭矩传感器，轴80．凭借其更小的外形和高性价比的设计，axis80正好适合这个利基市场。
力和扭矩传感的规模
即使在劳动力成本不断上升的中国，自动化也变得具有成本效益。力扭矩传感器正在将这种触觉带到小型零件组装任务中，而这曾经是人类手指的专属领域。
斯特恩说:“就像把内存模块放进电脑一样，只有当你感觉到咔哒一声，你才会知道你做对了。”“或者当你把玻璃放在手机上时，在很多情况下，玻璃是被粘住的。你需要确保你在整个表面上均匀地按压，才能正确密封。”
ATI能够将axis80的所有电子设备打包到一个更小的包中，只需一根电缆，即可满足外部接口的电源和通信要求。输出是全数字使用以太网，EtherCAT或USB串行通信。
这种力扭矩传感器安装在万能机器人的协作机器人上，但它可以用于各种可以携带10-12公斤有效载荷的机器人上。axis 80是UR+解决方案计划获得与UR cobots即插即用兼容性认证的产品。该软件可在ATI网站上免费下载。
斯特恩说:“万能机器人成功的部分原因是他们开发了URCaps平台。“这有点像智能手机的应用开发平台。这样我们就可以为他们的机器人编写软件。”
力和扭矩传感器正在跟上最新的趋势。其中之一是机器人即服务(RAAS)模式，在这种模式下，机器人是租赁使用的，而不是作为资本设备购买。ATI的一个客户正在使用RAAS模型和他们的力扭矩传感器来监测过程。
斯特恩解释说:“我们正在与一家名为Hirebotics的公司合作，租用具有云交互功能的移动工作单元。“他们用我们的传感器和任何他们需要的安全设备和工具来安装这些机器人单元。通过Hirebotics，制造工厂可以暂时将铆接和机器管理等各种任务外包给机器人。机器人是按秒租用的，可以根据需要运行应用程序。”
斯特恩说，客户使用这些应用程序的力数据来确定模具是否磨损异常，或者是否有其他问题导致了问题。
他说:“你可以使用力传感器来指导一个过程，也可以使用传感器数据来监控一个过程。”“很多机器人制造商都在推动互联互通和工业4.0;这些分析工具让用户从桌面就能很好地了解整个制造设施。力传感器无疑开始在这方面发挥更大的作用。这在今天还不是主流，也不常见，但这是发展的方向。”
力扭矩传感器使各种有趣的应用。
Software-Enabled智慧
这是一个ATI力扭矩传感器，实际上两个传感器连接到每个机器人手腕上，新加坡大学的研究人员用它来帮助组装一把宜家椅子。当一对机器人在几分钟内完成了经常让人类恼火的事情时，互联网上一片哗然。力扭矩传感器帮助电装机器人检测在不同椅子组件的孔中插入销钉的位置。
看看这个视频还有一篇关于机器人如何在家具组装方面做得越来越好，但为什么它仍然不像看起来那么容易的完整故事。复杂的软件在这个为期三年的研究项目中发挥了重要作用。
如今，几乎所有关于机器人技术的讨论都归结为智能软件。赋予机器人的触觉也不例外。
位于加拿大魁北克Lévis的Robotiq公司的首席技术官兼联合创始人Jean-Philippe Jobin说:“传感器是一回事，但用它做一些有用的事情是另一回事。”
Robotiq是最早为协作机器人设计自适应夹持器的制造商之一。制造商刚刚发布了新的手e夹持器．Robotiq还提供视觉和力扭矩传感解决方案，主要专注于协作机器人市场。乔宾对此感到兴奋协作机器人在全球爆发．
“十年前，当我们创办这家公司时，协作机器人行业几乎不存在。现在，有很多新玩家，也有很多人对此感到兴奋。下周是我们结婚十周年纪念日。我们有大约90名员工。他们会和他们的家人一起来，我会看到他们的孩子是如何成长的。这让我很兴奋。”
“Robotiq的座右铭是将人类的双手从肮脏、枯燥和危险的工作中解放出来。我们解放了他们的思想和才能，让他们去做更有价值的事情。”
Robotiq的力扭矩传感器将人类的双手从枯燥且有潜在危险的工作中解放出来。的FT 300力扭矩传感器是一个六轴装置，并使用专利电容技术，有助于最大限度地减少电气噪声。它是全数字化的，并由制造商校准。乔宾表示，该公司将在传感器的使用寿命内保持校准。
简化编程
当与先进的软件相结合时，Robotiq的力扭矩传感器可以让机器人更容易、更快地完成某些任务。Robotiq的一位客户使用FT传感器来记录机器人抛光玻璃过程的动作。
观看Robotiq案例研究视频看看力扭矩传感器如何帮助编程机器人。
作为人类，当我们移动时，通常是一个连续的运动，而不是像大多数机器人编程那样一点一点地移动。抛光、去毛刺、打磨、上胶和喷漆等工艺都需要这些流体状的连续运动。
正如Robotiq的客户所说，编程一个必须在空间中遵循体积的机器人运动是一件复杂的事情。FT传感器的路径记录功能，操作人员可以简单地抓住臂端装置，进行预定的动作。FT传感器记录操作人员施加的力和方向。然后机器人会重现操作者的动作。这有助于避免因符合人体工程学的挑战性和重复性动作而导致操作员受伤的风险。
Robotiq的软件记录下操作者演示的轨迹。然后使用软件界面进行调整，以确保轨迹具有恒定的速度，这是连我们人类都难以保持的。对运动的其他改进也通过软件工具进行。
从应用程序/技能开始
软件智能还不止于此。Robotiq为URCaps接口提供了一个新的FT模式节点。它允许你输入你想让机器人施加某种力的方向和大小，使抛光、打磨、去毛刺或插入等编程任务变得更容易。
这视频显示了FT模式节点的操作这是Robotiq在最近的Automatica展会上的展台上进行的抛光演示。
Robotiq为不同的流程提供了指导性文档和操作视频。Jobin建议用户根据其特定的应用程序从提供的参数开始，然后根据需要进行调整。强大的软件界面允许广泛的编辑。
Robotiq还提供技能，基本上是预先捆绑的应用程序，旨在完成特定的任务。这类似于流行的语音助手平台使用技能来控制家里的灯光，或者从当地的外卖服务订购披萨。例如，假设你的机器人需要按下按钮或将电缆插入插座，例如将以太网电缆插入端口，Robotiq提供单击检测技能。
作为人类，当我们执行这些任务时，我们会听到并感觉到咔哒声。机器人感觉到力的下降，可以推断任务已经正确完成。该技能可用于装配任务或部件验证。
观察点击检测技能在行动机器人按下按钮和杠杆，插入PCB电缆。
乔宾说:“我们有一些客户测试了数百万次，不同的产品上都有按钮。”“例如，它们可以检测到按钮何时停止工作，并在160万次循环后确定它失败了。”
Robotiq有超过20种技能可供任何人免费下载。
虽然力扭矩传感越来越普遍，特别是在快速启动应用程序和复杂的软件工程的帮助下，触觉传感才刚刚开始出现。
探索触觉感知
触觉感应仍主要用于研究应用。在考虑工业应用时，磨损是一个主要问题，因为传感器必须与物体直接接触才能捕获测量值。它必须能够承受数百万次的循环。
尽管如此，制造商们已经开始研究将触觉感应集成到手环中的实用性。其中一个原型在智能机器人抓取传感器，软件，云．
触觉感应有助于检测物体表面的缺陷，确定准确的夹持力，以便调整易碎物品，或验证你是否抓住了正确的部分，以及其他应用。
乔宾说，触觉传感就像10年前的力扭矩传感一样，当时他和他的联合创始人还在上大学。应用很少，但潜力巨大。他再次认为，软件将在人们如何处理触觉传感器数据方面发挥重要作用。
一家山区机器人初创公司对触觉传感寄予厚望。机器人材料公司是从科罗拉多大学博尔德分校分离出来的。创始人兼首席技术官Nikolaus Correll是科罗拉多大学博尔德分校的副教授和多功能材料IRT的主任。他的博士后工作是丹妮拉罗斯麻省理工学院分布式机器人实验室。
科雷尔说，自公司2016年成立以来，他已经出售了价值约1.5万美元的正在申请专利的触觉传感器，主要卖给了研究人员和其他大学。现在，这家初创公司有了新的使命。
他们在一种新颖的机器人抓握器设计中结合了触觉感应和3D视觉，并将其与直观的用户界面相结合，形成了一种开箱即用的抓握解决方案。应用包括挑选和放置，拣箱，机器照管，风筝和组装。这家初创公司正在进行第二轮天使投资，并获得了投资SBIR种子基金这样他们就可以专注于把产品送出去。
这视频捕捉到了机器人材料公司解决方案的新奇之处．你可以看到他们的抓手安装在一个协作机器人手臂上，然后安装在一个帆布自动推车上。移动机械手在停在桌子旁之前，会绕着其他机器转动。在那里，它从三个不同的箱子中抓取小螺丝和垫圈，然后把它们扔进购物车上的另一个箱子里。
科雷尔说:“机器人会在10厘米的精度范围内停下来。”“然后它找到了箱子，发现里面有东西，然后抓住了这个物体。(在这种情况下，非常小的螺丝。随机拣箱这是一个不小的壮举。)
这不是一个精心设计的演示，因为我们习惯了在病毒视频中看到机器人开门和后空翻。科雷尔说，他们收到了Canvas Technology公司的移动机器人推车，并在第二天进行了演示。
科瑞尔说:“把它们组合在一起很容易。“Roomba(机器人吸尘器)很棒，但想象一下，如果它能捡起挡路的东西，或者一个可以自己装卸的酒店机器人。当所有这些移动应用程序也可以进行操作时，它们就变得有价值了。这是我们现在可以做的事情。”
Robotic Materials还提供了用于配置应用程序的API或图形化编程环境。
科雷尔说:“你看到的视频都是在我们的环境中编程的，手实际上控制着手臂和推车。”“你可以快速地将这些东西拖放到一起，但你需要这个箱子挑选块才能从箱子里挑选东西。”
中小型企业可以从类似的设置中受益，自动移动推车可能比固定传送带更具成本效益。现在，再加上它自带的带集成多模态传感器的抓取臂，你就可以拥有一个开箱即用的移动拣箱解决方案了。
科雷尔说，下一步是为安全添加触觉感应皮肤。事实证明，这正是他们的拿手好戏。他与人合作完成了一篇题为a用于避免碰撞和情感触摸识别的机器人皮肤目前，该公司正在争取一笔拨款，以开发一种用于机器人手臂的售后皮肤。
传感器融合与接近感测
机器人材料公司在他们的夹持器中使用了正在申请专利的接近传感器来实现触觉感知。该传感器使用嵌入在透明、耐磨聚合物中的红外接近传感器。该技术允许在距离上进行接近感测，并且由于聚合物的内部变形，可以在接触时进行力感测。这使得传感器能够实现零力接触传感。
如果你想在不施加力的情况下知道物体的位置，零力接触传感是很重要的。你无法用力传感器知道你接触了什么东西，直到它真正移动了，即使是非常微小的移动。科雷尔说，你需要触觉感应。如果没有触觉，如果机器人试图捡起一个弹珠或其他非常轻的物体，在它感知到接触之前，这个物体就会移动。
Robotic Materials的技术集成了红外发射探测器和MEMS气压计，形成了接近、接触和力传感器。接近感测使机器人能够弥补视觉感知和操作的不准确性。零力接触传感允许机器人在不施加力的情况下验证姿态。压力(力)传感使机器人能够确认物体相对于其身体的姿态。
你可以看到接近传感器在发挥作用视频演示了一个多部分变速箱总成．首先，机器人夹持器(不是机器人材料夹持器)配备了接近传感器的手指，扫描每个组件，以确定其大致位置、形状、大小和方向。然后当它抓住部件时，你会看到“触摸”指示器峰值。利用传感器的接近、接触和力传感的组合，机器人能够将轴摆动到孔中，然后将其拧到底座上。
科雷尔说:“触觉传感技术可以让机器人看到传统摄像头无法看到的地方，例如，在抓取之前或在垃圾桶里。”“因为如果你距离0.5毫米，你就没有接触，这是你看不到的。如果你开得太快，零件已经移动了。你已经在用力了。这就是触摸的真正用武之地。”
科雷尔说，单靠触觉感知的好处是微不足道的。这就是为什么他们在手握器的手掌上嵌入了一个3D摄像头。
机器人材料公司的夹具是一个四连杆设计，两个手指可以独立移动。这种设计加上阻抗控制使夹持器能够处理各种对象，包括精致的物品，如水果。
观看这一新颖的夹具设计在行动和相互作用之间的触觉和力的传感作为机器人材料抓取器“采摘”草莓．
新颖的设计、精密的传感器和复杂的软件赋予了机器人一种触觉。他们做着枯燥重复的工作。人类一次又一次地从中获益。