【導讀】傳統工業機器人體積龐大且安全係數低，因為作業半徑內不允許有人。隨著精密製造、柔性製造等動態非結構化生產需求增加，機器人與人
、機器人與環境的共存對機器人設計提出了更高的要求
，具備這種能力的機器人我們將其稱為協作機器人。

協作機器人

傳統工業機器人體積龐大且安全係數低，因為作業半徑內不允許有人。隨著精密製造

、柔性製造等動態非結構化生產需求增加，機器人與人、機器人與環境的共存對機器人設計提出了更高的要求，具備這種能力的機器人我們將其稱為協作機器人。

協作機器人具有諸多優點
，包括輕量化、環境友好性
、智能感知、人機協作和易於編程等。在這些優點背後，有一項功能是非常重要的
，那就是碰撞檢測——主要作用是減少碰撞力對機器人本體的影響，避免機器人本體或者外圍設備損壞，更重要的是防止機器人對人類造成損傷。

隨著科學技術的發展，用於實現協作機器人碰撞檢測的方式已經有很多，包括運動學
、力學、光學等。當然，這些實現方式的核心都是具備各種檢測功能的元器件。

協作機器人的碰撞檢測

機(ji)器(qi)人(ren)的(de)出(chu)現(xian)並(bing)非(fei)意(yi)在(zai)完(wan)全(quan)取(qu)代(dai)人(ren)類(lei)，很(hen)多(duo)工(gong)作(zuo)需(xu)要(yao)人(ren)類(lei)和(he)機(ji)器(qi)人(ren)相(xiang)互(hu)合(he)作(zuo)來(lai)完(wan)成(cheng)，這(zhe)便(bian)是(shi)協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)誕(dan)生(sheng)的(de)背(bei)景(jing)。協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)設(she)計(ji)初(chu)衷(zhong)是(shi)為(wei)了(le)與(yu)人(ren)類(lei)在(zai)工(gong)作(zuo)中(zhong)進(jin)行(xing)互(hu)動(dong)和(he)協(xie)作(zuo)，以(yi)提(ti)升(sheng)工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)和(he)安(an)全(quan)性(xing)。

在一個工作場景下，協作機器人與人類直接合作，因此安全性問題怎麼強調都不為過。為了保障人機協作的安全性， 業界製定了諸多相關的法規和標準，目的就是為了讓協作機器人從設計之初就考慮到人機協作的安全性問題。

圖1：碰撞檢測位於協作機器人設計邏輯的底層（圖源：節卡機器人）

同時，協作機器人自身也要確保安全可靠。由於協作機器人的空間自由度非常高，且主要替代人類在複雜、危險環境中的工作，因此在磨削、裝配
、鑽孔
、搬運等工作中
，也需要對可能發生的碰撞進行快速可靠的檢測。

為了讓協作機器人不與人類
、環境發生碰撞，設計者們將碰撞檢測大致分為四個環節：

1. 預碰撞檢測

在zai一yi個ge工gong作zuo環huan境jing裏li部bu署shu協xie作zuo機ji器qi人ren時shi，設she計ji者zhe希xi望wang這zhe些xie機ji器qi人ren能neng夠gou像xiang人ren類lei一yi樣yang熟shu知zhi環huan境jing，規gui劃hua自zi己ji的de移yi動dong路lu徑jing。為wei了le達da到dao這zhe一yi點dian，設she計ji者zhe在zai協xie作zuo機ji器qi人ren上shang安an裝zhuang具ju有you一yi定ding計ji算suan能neng力li的de處chu理li器qi和he檢jian測ce算suan法fa，並bing搭da建jian攝she像xiang頭tou、傳感器和雷達的一種或者幾種作為檢測手段。如上所述，預碰撞檢測是有行業標準可以遵循的
，比如ISO/TS15066協作機器人設計標準中，就要求協作機器人在人接近時停止運行
，人離開時立即恢複。

2. 碰撞檢測

這(zhe)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)非(fei)是(shi)即(ji)否(fou)的(de)形(xing)態(tai)，代(dai)表(biao)協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)是(shi)否(fou)發(fa)生(sheng)了(le)碰(peng)撞(zhuang)。為(wei)了(le)不(bu)發(fa)生(sheng)誤(wu)觸(chu)發(fa)的(de)問(wen)題(ti)，設(she)計(ji)者(zhe)會(hui)為(wei)協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)設(she)定(ding)一(yi)個(ge)閾(yu)值(zhi)。這(zhe)個(ge)閾(yu)值(zhi)的(de)設(she)定(ding)是(shi)非(fei)常(chang)考(kao)究(jiu)的(de)，既(ji)要(yao)保(bao)證(zheng)不(bu)能(neng)頻(pin)繁(fan)觸(chu)發(fa)
，同(tong)時(shi)也(ye)要(yao)極(ji)度(du)靈(ling)敏(min)以(yi)避(bi)免(mian)碰(peng)撞(zhuang)。由(you)於(yu)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)控(kong)製(zhi)主(zhu)要(yao)靠(kao)馬(ma)達(da)
，因(yin)此(ci)設(she)計(ji)者(zhe)將(jiang)這(zhe)個(ge)閾(yu)值(zhi)和(he)馬(ma)達(da)自(zi)適(shi)應(ying)算(suan)法(fa)結(jie)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)，做(zuo)到(dao)碰(peng)撞(zhuang)即(ji)停(ting)。

3. 碰撞隔離

當dang係xi統tong確que認ren碰peng撞zhuang發fa生sheng之zhi後hou，需xu要yao確que認ren具ju體ti的de碰peng撞zhuang點dian或huo者zhe是shi碰peng撞zhuang關guan節jie。此ci時shi實shi施shi隔ge離li目mu的de就jiu是shi讓rang這zhe個ge碰peng撞zhuang的de部bu位wei停ting下xia來lai。傳chuan統tong機ji器qi人ren的de碰peng撞zhuang隔ge離li通tong過guo外wai部bu護hu欄lan來lai實shi現xian，協xie作zuo機ji器qi人ren由you於yu處chu於yu開kai放fang空kong間jian，因yin此ci就jiu需xu要yao通tong過guo算suan法fa和he反fan向xiang加jia速su度du來lai實shi現xian。

4. 碰撞識別

此(ci)時(shi)協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)已(yi)經(jing)確(que)認(ren)發(fa)生(sheng)了(le)碰(peng)撞(zhuang)，相(xiang)關(guan)變(bian)量(liang)已(yi)經(jing)超(chao)出(chu)了(le)閾(yu)值(zhi)。這(zhe)時(shi)候(hou)機(ji)器(qi)人(ren)上(shang)的(de)處(chu)理(li)器(qi)需(xu)要(yao)根(gen)據(ju)傳(chuan)感(gan)信(xin)息(xi)判(pan)斷(duan)碰(peng)撞(zhuang)是(shi)否(fou)為(wei)偶(ou)發(fa)碰(peng)撞(zhuang)
，如(ru)果(guo)判(pan)定(ding)結(jie)果(guo)為(wei)是(shi)，那(na)麼(me)協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)需(xu)要(yao)自(zi)我(wo)修(xiu)正(zheng)；如果判定為非偶發碰撞
，那麼此時協作機器人將停機等待人類處理。

可(ke)以(yi)說(shuo)碰(peng)撞(zhuang)檢(jian)測(ce)是(shi)協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)實(shi)現(xian)自(zi)我(wo)感(gan)知(zhi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)主(zhu)張(zhang)，為(wei)協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)大(da)規(gui)模(mo)應(ying)用(yong)和(he)進(jin)入(ru)更(geng)廣(guang)泛(fan)的(de)場(chang)景(jing)提(ti)供(gong)了(le)可(ke)能(neng)。在(zai)不(bu)同(tong)的(de)碰(peng)撞(zhuang)環(huan)節(jie)，協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)對(dui)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)需(xu)求(qiu)是(shi)不(bu)一(yi)樣(yang)的(de)。比(bi)如(ru)在(zai)預(yu)碰(peng)撞(zhuang)檢(jian)測(ce)環(huan)節(jie)
，係(xi)統(tong)的(de)主(zhu)要(yao)目(mu)的(de)是(shi)不(bu)讓(rang)碰(peng)撞(zhuang)發(fa)生(sheng)
，因(yin)此(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)職(zhi)責(ze)就(jiu)是(shi)環(huan)境(jing)感(gan)知(zhi)。實(shi)現(xian)的(de)路(lu)線(xian)有(you)很(hen)多(duo)
，比(bi)如(ru)基(ji)於(yu)視(shi)覺(jiao)的(de)環(huan)境(jing)感(gan)知(zhi)，基(ji)於(yu)毫(hao)米(mi)波(bo)雷(lei)達(da)的(de)環(huan)境(jing)感(gan)知(zhi)
，還(hai)有(you)基(ji)於(yu)激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)的(de)環(huan)境(jing)感(gan)知(zhi)等(deng)，那(na)麼(me)就(jiu)需(xu)要(yao)配(pei)合(he)對(dui)應(ying)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)算(suan)法(fa)。

dangpengzhuangfashengzhihou，zhongyaodeshixiezuojiqirenyaodiyishijianzhixiaopengzhuangdianhepengzhuangdechengdu

，yicaiqujinyibudecuoshifangzhiqingkuangjinyibuehua。pengzhuangjiancechuanganqibianshizaicishifahuizuoyong。changjiandepengzhuangchuanganqizhuyaoyoujixieshipengzhuangchuanganqi、磁力式碰撞傳感器
、壓電式碰撞傳感器、應變式碰撞傳感器、壓阻片式碰撞傳感器和水銀開關式碰撞傳感器等。

我wo們men都dou知zhi道dao，協xie作zuo機ji器qi人ren在zai工gong作zuo時shi，機ji械xie臂bi會hui被bei施shi加jia來lai自zi很hen多duo方fang向xiang的de力li矩ju，用yong以yi讓rang機ji械xie臂bi運yun動dong起qi來lai進jin行xing工gong作zuo。如ru下xia圖tu所suo示shi，搭da載zai碰peng撞zhuang傳chuan感gan器qi的de保bao護hu係xi統tong在zai檢jian測ce到dao碰peng撞zhuang發fa生sheng之zhi後hou，會hui施shi加jia合he力li矩ju、轉矩以及軸向負載的反作用力，協作機器人會立刻停止工作。

圖2：機械臂保護係統框圖（圖源：ATI）

如果你已經迫不及待想要實現一款具有高度安全性的協作機器人，下麵這兩款貿澤電子在售的傳感器都是很不錯的選擇。

具有高分辨率閾值的三軸數字加速度計

上文中提到，目前用於協作機器人的碰撞檢測傳感器已經非常多了

，在此我們展開說一下三軸數字加速度計。

三(san)軸(zhou)數(shu)字(zi)加(jia)速(su)度(du)計(ji)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)物(wu)體(ti)在(zai)三(san)個(ge)坐(zuo)標(biao)軸(zhou)上(shang)的(de)加(jia)速(su)度(du)，當(dang)碰(peng)撞(zhuang)發(fa)生(sheng)時(shi)


，以(yi)此(ci)計(ji)算(suan)加(jia)速(su)度(du)計(ji)值(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)值(zhi)，當(dang)差(cha)值(zhi)累(lei)計(ji)超(chao)過(guo)閾(yu)值(zhi)時(shi)
，則(ze)確(que)認(ren)係(xi)統(tong)發(fa)生(sheng)了(le)碰(peng)撞(zhuang)。三(san)軸(zhou)數(shu)字(zi)加(jia)速(su)度(du)計(ji)是(shi)目(mu)前(qian)行(xing)業(ye)裏(li)用(yong)以(yi)確(que)認(ren)碰(peng)撞(zhuang)發(fa)生(sheng)的(de)簡(jian)單(dan)方(fang)式(shi)之(zhi)一(yi)。

下麵我們就為大家介紹一款貿澤電子在售的，可用於協作機器人碰撞檢測的三軸數字加速度計，來自製造商ROHM Semiconductor，這款器件在貿澤電子官網上的料號為KX132-1211。

圖3：KX132-1211三軸數字加速度計（圖源：貿澤電子）

KX134和KX132三軸數字加速度計是兩款矽微機械加速度計，具有用戶可配置的3級高級數據路徑(ADP)，其中包含低通濾波器、低通/高通濾波器和RMS計算引擎，還配備了先進的喚醒和睡眠檢測功能。

圖4：KX132-1211三軸數字加速度計功能框圖（圖源：ROHM Semiconductor）

圖5：KX132-1211三軸數字加速度計啟動時間框圖（圖源：ROHM Semiconductor）

KX134和KX132三軸數字加速度計具有高分辨率閾值和高精度。其中
，高分辨率閾值可配置到低至15.6mg，還在整個溫度範圍內降低了噪聲並改善了線性度。

在精度方麵，KX134-1211用戶可配置的g值範圍可達±64g，輸出數據傳輸速率可達25600Hz
；KX132-1211用戶可配置的g值範圍可達±16g，輸出數據傳輸速率可達25600Hz 。兩款三軸數字加速度計都集成了自由落體
、

Directional-Tap™/Double-Tap™和設備定向算法
，提高了低功耗模式下基於溫度的ODR精度。

KX134和KX132三軸數字加速度計還具有出色的耐熱性能和耐衝擊能力，並內置穩壓器
，可應對嚴苛的工作環境。

靈敏度可選的法蘭安裝式磁簧傳感器

磁(ci)力(li)式(shi)碰(peng)撞(zhuang)傳(chuan)感(gan)器(qi)也(ye)是(shi)一(yi)種(zhong)應(ying)用(yong)廣(guang)泛(fan)的(de)碰(peng)撞(zhuang)檢(jian)測(ce)傳(chuan)感(gan)器(qi)，它(ta)通(tong)過(guo)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)的(de)磁(ci)性(xing)特(te)性(xing)來(lai)檢(jian)測(ce)磁(ci)場(chang)的(de)變(bian)化(hua)，並(bing)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)
，實(shi)現(xian)對(dui)物(wu)理(li)量(liang)的(de)測(ce)量(liang)。作(zuo)為(wei)磁(ci)力(li)式(shi)碰(peng)撞(zhuang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)一(yi)種(zhong)，應(ying)用(yong)於(yu)協(xie)作(zuo)機(ji)器(qi)人(ren)上(shang)時(shi)，磁(ci)簧(huang)傳(chuan)感(gan)器(qi)更(geng)多(duo)是(shi)用(yong)於(yu)限(xian)位(wei)和(he)安(an)全(quan)訪(fang)問(wen)。

接下來我們為大家推薦一款超小型法蘭安裝式磁簧傳感器
，來自製造商Littelfuse
，貿澤電子官網上該器件的料號為59155-1-S-02-A。

圖6：Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器（圖源：貿澤電子）

59155和59156是Littelfuse新推出的超小型法蘭安裝式磁簧傳感器
，與目前市場上類似尺寸的產品相比
，59155和59156更加小巧，尺寸僅為12.70mm x 9.00mm x 3.00mm，僅占用1.09cm2電路板空間。

尺寸雖小，不過Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器的性能很出色。59155和59156具有非常高的切換能力
，可以在10W的條件下切換120VAC/170VDC。這zhe些xie法fa蘭lan安an裝zhuang式shi磁ci簧huang傳chuan感gan器qi采cai用yong非fei接jie觸chu式shi開kai關guan
，適shi合he用yong於yu潮chao濕shi和he惡e劣lie環huan境jing。他ta們men的de法fa蘭lan支zhi座zuo的de外wai殼ke設she計ji支zhi持chi可ke定ding製zhi，具ju有you絕jue佳jia的de可ke調tiao節jie性xing，使shi其qi適shi合he不bu同tong行xing業ye的de各ge種zhong小xiao間jian距ju應ying用yong，這zhe當dang然ran也ye包bao括kuo從cong事shi嚴yan苛ke複fu雜za工gong作zuo的de協xie作zuo機ji器qi人ren。

Littelfuse超小型法蘭安裝式磁簧傳感器采用殼體設計，可使用M2螺絲以0.1Nm扭矩進行安裝，也支持黏合式安裝，因此非常易於使用。除了應用於協作機器人的接近/限位傳感、安全和訪問控製
，這些法蘭安裝式磁簧傳感器也可用於工廠自動化、加工設備
、家電和物聯網等領域。

協作機器人的柔性交互

對dui於yu協xie作zuo機ji器qi人ren，很hen多duo人ren都dou熟shu知zhi它ta是shi工gong作zuo製zhi造zao領ling域yu柔rou性xing生sheng產chan的de重zhong要yao組zu成cheng部bu分fen。麵mian向xiang未wei來lai，協xie作zuo機ji器qi人ren在zai包bao括kuo碰peng撞zhuang檢jian測ce等deng方fang麵mian的de發fa展zhan也ye需xu要yao更geng加jia柔rou性xing。上shang述shu我wo們men詳xiang述shu了le協xie作zuo機ji器qi人ren的de碰peng撞zhuang檢jian測ce，現xian階jie段duan產chan業ye也ye取qu得de了le長chang足zu進jin步bu。不bu過guo，從cong用yong戶hu的de角jiao度du來lai看kan，這zhe明ming顯xian還hai不bu夠gou。

在zai部bu署shu時shi，協xie作zuo機ji器qi人ren對dui於yu環huan境jing的de了le解jie還hai是shi半ban自zi適shi應ying的de，需xu要yao人ren類lei操cao作zuo其qi在zai工gong作zuo空kong間jian內nei巡xun航hang至zhi少shao一yi次ci才cai能neng夠gou對dui路lu線xian有you大da致zhi理li解jie。在zai和he人ren類lei交jiao互hu時shi，目mu前qian協xie作zuo機ji器qi人ren為wei了le避bi免mian碰peng撞zhuang，基ji本ben采cai取qu直zhi接jie停ting止zhi工gong作zuo的de方fang式shi應ying對dui，和he我wo們men理li想xiang中zhong的de人ren機ji協xie作zuo還hai有you差cha距ju。為wei了le進jin一yi步bu提ti升sheng柔rou性xing交jiao互hu的de體ti驗yan，感gan知zhi能neng力li、學習能力等方麵還需要精進
，需要更好的傳感器和算法支持。

未來的協作機器人必將會更加智能
、靈活、多功能和人性化，貿澤電子也將持續將先進的器件帶給大家，與行業和從業者共同成長。

本文轉載自：貿澤電子

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