傳感器在協(xié)作機(jī)器人中的典型應(yīng)用

概述

隨著工業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率的要求越來越高，機(jī)器人和自動(dòng)化逐漸成為現(xiàn)代工廠的常態(tài)。

根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）發(fā)布的《新世界機(jī)器人2020工業(yè)機(jī)器人》報(bào)告，2019年，中國新機(jī)器人的銷售和發(fā)貨量約為14.05萬臺(tái)。2020年，78.3萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在中國工廠運(yùn)行，增長21%。從2019年到2027年，全球工業(yè)機(jī)器人市場預(yù)計(jì)將繼續(xù)穩(wěn)步增長。


根據(jù)Statista的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年全球約有270萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人投入運(yùn)營，市場規(guī)模估計(jì)接近400億美元，到2027年，市場規(guī)模預(yù)計(jì)將超過1000億美元。

機(jī)器人市場按應(yīng)用細(xì)分，可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人。IFR將工業(yè)機(jī)器人定義為“一種自動(dòng)控制、可重新編程、多功能機(jī)械臂，具有三個(gè)或更多可編程軸，該機(jī)械臂可以是固定的或鉸接的，用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用”。

協(xié)作機(jī)器人是指能夠在共享工作空間中與人類密切互動(dòng)的機(jī)器人。與工業(yè)機(jī)器人不同，協(xié)作機(jī)器人可以與人類密切接觸，并在生產(chǎn)和生活中扮演不同的角色：例如，在辦公室環(huán)境中，作為與人類協(xié)作的自主機(jī)器人，或在工廠中作為沒有保護(hù)罩的工業(yè)機(jī)器人。

無論是哪種機(jī)器人，它都與傳感器密不可分。傳感器為機(jī)器人提供視覺、力、觸覺、嗅覺和味覺等多種感知能力，不僅可以為機(jī)器人提供外部感知功能，還可以檢測機(jī)器人自身的內(nèi)部工作狀態(tài)、溫度、負(fù)載、，檢測和理解電壓和其他信息，以有效確保和提高機(jī)器人自身的操作和靈敏度。隨著工業(yè)4.0趨勢的發(fā)展，在工廠車間使用機(jī)器人、自動(dòng)化和控制系統(tǒng)已成為提高生產(chǎn)效率和盈利能力的重要途徑。由于對(duì)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化的需求不斷增加，傳感器將繼續(xù)成為數(shù)據(jù)采集的重要基礎(chǔ)。

扭矩檢測

扭矩傳感器是用于測量反作用扭矩和扭矩的傳感器。扭矩計(jì)具有一個(gè)集成的機(jī)械止動(dòng)塊，用于增加過載能力，并在安裝和運(yùn)行期間提供額外保護(hù)。TE提供各種用于動(dòng)態(tài)和無功扭矩測量的小范圍傳感器。反作用扭矩和力可以用單個(gè)設(shè)備同時(shí)測量，這些傳感器還可以檢測角度位置并提供速度測量。

與工業(yè)機(jī)器人不同，協(xié)作機(jī)器人需要與工人互動(dòng)，因此它們的安全要求越來越嚴(yán)格，需要集成大量監(jiān)控技術(shù)。其中一項(xiàng)技術(shù)是安全扭矩傳感器，它監(jiān)測cobot不同樞軸點(diǎn)的機(jī)械扭矩。

安全扭矩傳感器通常集成到協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)單元中。關(guān)節(jié)組件是一個(gè)完整的系統(tǒng)，通常包括一個(gè)或多個(gè)角度傳感器、一個(gè)電機(jī)和一個(gè)諧波減速器。關(guān)節(jié)單元驅(qū)動(dòng)機(jī)器人每只手臂的運(yùn)動(dòng)，而扭矩傳感器用于檢測電機(jī)和諧波減速器內(nèi)的扭矩。控制電路使用扭矩水平來閉合關(guān)節(jié)，以防止損壞機(jī)械臂本身，或者在配合使用時(shí)，防止對(duì)相關(guān)工人造成傷害。在機(jī)器人應(yīng)用中，扭矩傳感器給系統(tǒng)帶來的好處推動(dòng)了從使用功率限制系統(tǒng)到使用扭矩傳感器的轉(zhuǎn)變。

扭矩傳感器提高了機(jī)器人系統(tǒng)的安全性和可靠性，并通過縮短響應(yīng)時(shí)間和提高精度來確保人身安全。

TE Cobot環(huán)形安全扭矩傳感器始于一個(gè)整體式彎管，旨在將扭矩轉(zhuǎn)換為機(jī)械應(yīng)力。扭矩傳感器基于集成MEMS稱重傳感器，該傳感器將機(jī)械扭矩轉(zhuǎn)換為與施加扭矩成比例的數(shù)字輸出信號(hào)。根據(jù)應(yīng)用情況，可以設(shè)置扭矩閾值，以便在有人受傷或cobot本身損壞之前關(guān)閉cobot。

TE的安全扭矩傳感器旨在提供準(zhǔn)確的扭矩?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)最大限度地減少交叉載荷誤差（軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩），并可作為諧波減速器的密封壁。為了滿足ISO13849第4類PL e的功能安全要求，安全扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)基于雙通道系統(tǒng)，并包括用于檢測安全相關(guān)錯(cuò)誤的附加功能。TE的安全扭矩傳感器專門針對(duì)協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行了優(yōu)化，具有低串?dāng)_敏感性，以提高精度。由于支持定制的機(jī)械接口，傳感器可以輕松定制尺寸和測量范圍，以滿足客戶特定的要求，并在提高協(xié)作機(jī)器人的安全性和可靠性方面發(fā)揮重要作用。

力檢測

機(jī)械臂中需要大量的力檢測和力反饋數(shù)據(jù)，以確定抓取物體時(shí)的力是否合適，并通過不同的稱重?cái)?shù)字確保制造過程的一致性。除其他外，力傳感器負(fù)責(zé)機(jī)械臂的力。力傳感器最基本的特性是靈敏度、穩(wěn)定性、重復(fù)性和準(zhǔn)確性。此外，在正常使用和操作過程中，力傳感器能夠承受一定程度的高過載（包括意外跌落和其他不可預(yù)見的負(fù)載），而不會(huì)造成損壞。

TE的FX29按鈕壓縮力傳感器將高性能和成本效益與非常緊湊的設(shè)計(jì)相結(jié)合。核心傳感元件是一個(gè)微加工硅壓阻半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。每個(gè)力傳感器都有四個(gè)精心布置的MEMS芯片。根據(jù)緊密匹配的熱/電操作特性，這些應(yīng)變計(jì)配對(duì)成惠斯通電橋，兩個(gè)應(yīng)變計(jì)測量張力，另兩個(gè)測量壓縮。電橋產(chǎn)生的差分電壓輸出信號(hào)與外界施加在FX29基板上的力成正比。

半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的靈敏度是許多制造商使用的鍵合箔式應(yīng)變計(jì)（BFSG）技術(shù)的75倍，因此支持更硬的承重結(jié)構(gòu)和更低的應(yīng)力水平，但仍能產(chǎn)生10倍的信號(hào)輸出，非常適合對(duì)靈敏度和穩(wěn)定性有高要求的機(jī)械臂應(yīng)用。

位置檢測

除了監(jiān)控動(dòng)作的力度，機(jī)械臂還必須監(jiān)控其軌跡，并且對(duì)精度和響應(yīng)有很高的要求。機(jī)械臂在操作過程中發(fā)電，磁阻傳感器通過增加垂直磁場來監(jiān)測該期間的電阻變化，以測量機(jī)械臂的角位移，從而監(jiān)測設(shè)備并了解機(jī)械臂的軌跡。某些材料的磁電阻變化與磁場和電流之間的角度有關(guān)，稱為各向異性磁電阻效應(yīng)，可用于精確測量磁場。各向異性磁阻（AMR）傳感器是一種精密的非接觸式設(shè)備，用于測量傳感器感應(yīng)到的磁場角度的變化。

TE的KMXP系列位移傳感器采用AMR技術(shù)，在高溫等惡劣環(huán)境中提供卓越的精度和可靠、準(zhǔn)確的測量。惡劣環(huán)境中的應(yīng)用要求傳感器在暴露于油、污垢和灰塵時(shí)性能良好。這些傳感器有兩個(gè)不同的DFN包，用于各種校準(zhǔn)選項(xiàng)，這些包可以輕松集成到幾乎任何自動(dòng)裝配過程中。具體好處如下：

高分辨率和高精度：采用非接觸測量技術(shù)的磁阻（MR）傳感器，在1-5mm范圍內(nèi)提供10-50μm的精度。

易于組裝：DFN封裝適用于任何PCB組裝過程，并降低OEM制造成本。

有磁帶和卷盤兩種形式，便于集成。

設(shè)計(jì)自由度：垂直或平面焊接版本，傳感器壁厚較小，適用于大氣隙應(yīng)用。

卓越的性能：能夠承受高達(dá)150°C的溫度，即使在骯臟的環(huán)境中也能受到EMC的保護(hù)，并且對(duì)灰塵、油和灰塵不敏感。