六維力傳感器（qì）在工業打磨和裝配領域的應用 -機器人-數控機（jī）床市（shì）場網

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六維力傳感器在工業打磨和裝配（pèi）領域的應用

2019-7-23 來源：中國機器人網作（zuò）者：-

　　機器人打磨市場

　　從國家政策方麵來看，核（hé）心傳（chuán）感器（qì）是作為工業4.0時（shí）代的一個很重要的基石，在《中（zhōng）國製造2025》、《“十三五”國家科（kē）技創新規劃》、《新一代人工智能（néng）發展規劃》等多（duō）個規（guī）劃裏麵，都（dōu）將傳感器的（de）研發作為規劃重點之一（yī）。有相關機構預測，到2025年我（wǒ）國工業互聯網（wǎng）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“心髒”，將迎來巨大（dà）的發展空間。

　　目前（qián），傳感器係統也正朝著著微小型化、智能化（huà）、多功（gōng）能（néng）化和網（wǎng）絡化的方向發展（zhǎn）。由中（zhōng）國（guó）信通院前瞻產（chǎn）業研究院整理的數據（jù）表明，2018年傳感器市場規模達1472億元，同比增長在10%以上（shàng），預計（jì）在2023年，我（wǒ）國傳感器市場規模將達2703億元。就打磨工藝來（lái）講（jiǎng），大致分為四種（zhǒng），即（jí）磨削加工、粗磨、精磨、去毛刺（清除（chú）工件（jiàn）已加工部（bù）位周圍所形成的刺狀物或飛（fēi）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（xiǎn）係數大，傳統的打磨由於產生的粉塵排出不及（jí）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（shēng）產（chǎn）效率低，傳統人工打磨效率（lǜ）低，還存（cún）在廢品率高的問題；第四，人工成本高，招工留工難。

　　機器人打（dǎ）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（wèn）題，與傳（chuán）統的（de）人工打磨相比，機器人打磨有以下優點：密（mì）閉式的機器人工作站，將高噪音和粉塵與外部隔離，減少環境汙染；操作工不直接（jiē）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（zhèng）了質量的可靠，而（ér）且降低了廢品率；

　　機器人替代熟（shú）練工，不但（dàn）降低人力成本，而且（qiě）也不會因為操作工的流失而影（yǐng）響交貨期；機器人可以24小時連續作業，生（shēng）產效率大幅提高；用戶可更具不同樣件進行（háng）二次編程（chéng）開發，縮短產品改型換代周期（qī），減少相（xiàng）應的投資設（shè）備。

六維力傳感器是什麽？

　　我們今日的主題是《六維力傳感器在（zài）工業打磨（mó）和裝配領域（yù）的應用》，那麽什麽是六維力傳感器？

　　我們先來認識一下力覺傳感器，力（lì）覺傳感器是一類觸（chù）覺傳感器（qì），它在（zài）機器人和機電一體化設備中具有廣泛的應用。力和力矩（jǔ）傳感（gǎn）器是用來檢（jiǎn）測設備內（nèi）部力或與外界環境相互作用力（lì）為（wéi）目的，力不是直接可測（cè）量的物理量（liàng），力是通（tōng）過（guò）其他物理量間接測量（liàng）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（jí）作用於接觸點的力成正比的（de）信號。力覺傳感器可以檢測機器人有關部件（jiàn）（如手腕、手指）所受外力（lì）及轉矩，可以控製手腕移動，伺服控製，準確完成作業。

六維力傳（chuán）感器是力傳感（gǎn）器（qì）中一種新發展起來的傳感器，能同時轉換多維力/力（lì）矩信（xìn）號為電信號，可用於（yú）監（jiān）測方向和大小不（bú）斷變化的力與（yǔ）力矩和測量加（jiā）速度（dù）或慣性力以及檢測接觸力（lì）的大小和作（zuò）用點。

　　廣（guǎng）義六維力（lì）傳感器能（néng）夠檢查空間任（rèn）意力係中的三維正交（jiāo）力（fx、fy、fz）及三維正交力矩（mx、my、mz），由於（yú）其測力信息豐富、測量精度高等特點，主要應用在力及力-位控製場合，六維力/力矩傳感器為機（jī）器人控製提供力感信息（xī），是智能機器人重要的傳（chuán）感器（qì）。

　　六維力傳感器研究現狀

　　國際上（shàng）對（duì）多維力傳感器的研（yán）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（yán）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（guó）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（jiū）所於1987 年研製出我國第一台六維腕力傳感（gǎn）器，之後陸續有哈爾濱工業大學、華中（zhōng）理工大學、東南（nán）大學（xué）等單位研製出（chū）多種（zhǒng）規格的多維（wéi）力/力矩傳感器，展現了我國（guó）多維力/力矩信（xìn）息獲取研究（jiū）領域的蓬勃發展態（tài）勢。目前（qián）在六維力傳感器研（yán）究較多（duō）的院校有燕（yàn）山大學、哈工大，大連理工等（děng）。

近年，研究熱點更多的關注在多維（wéi）力（lì）/力矩傳感器的應用領域，如現代工業機器人怎麽樣充分利用（yòng）多維力/力矩傳感器以及其它感（gǎn）知係統來完成各種環境下更多更（gèng）複（fù）雜的機器人作業，使工作更加精確、生（shēng）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（qì）人自動裝配生產線，結合（hé）更實時更有效的算法（fǎ），使智能工業機器（qì）人能夠（gòu）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（lì）敏元件的（de）結構設計是力傳感器的關（guān）鍵核（hé）心問題，因為力敏元件的結構決定力傳感器的性能優（yōu）劣。對此，國際和國內許多（duō）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（tú）展示：

工業打磨中的六維力傳（chuán）感器

　　六維（wéi）力傳（chuán）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（fàn）的一個領域，就目前的市場情況來（lái）看，對於打磨精度要求較高的行業主要是3C行業，而且（qiě）3C行業（yè）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（néng）的打磨（mó）機器人才能（néng）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（bì）的末端關節固（gù）定連接。靜態條件（jiàn）下，機械（xiè）手腕部六維（wéi）力傳感器測得的力和力矩數據由三部分組（zǔ）成，即傳感器（qì）自身係統誤差、負載重力作用（yòng）、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，控製係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（shì）場挑戰（zhàn）

　　雖然六維力傳感器在機器人自由度上（shàng）可以達到六個維度的自由度，大（dà）大提（tí）升機器人的智能水平（píng），但是目前工業領域市場上的使用情況並不是很樂觀，特別是國內市場用到六維力傳感器的打磨（mó）機器人產（chǎn）品並（bìng）不是很多。

　　目前用到浮動主軸的（de）方（fāng）式比較多（duō），單維力控。原因主要有兩個方麵：1、在對精密打磨要求不高的行業，目前的力傳感（gǎn）器就能滿足打磨工序的需要，企業不願意花更大的代價去購買配置了（le）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（gāo）。

　　傳感器的市（shì）場（chǎng）機遇

　　隨著（zhe）工業加工、製造業的發展越來（lái）越（yuè）精細化，精密裝配行業如3C行業對生產機（jī）器人的要求也會提高（gāo），具備更高性能的傳感器如六維（wéi）力傳感器也將迎來（lái）新（xīn）的發展（zhǎn）機遇。目前超過 90%的工業自動化作業是傳統（tǒng）機器人無法完成（chéng）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（rén）機協作機器人可以部分彌（mí）補傳統工業機器人的不足，完成機械管理等工作。2015年全球（qiú）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（bù）件（jiàn），在人機協作應用中發揮著至關重要的作用。

隨著5G時代的到來，工業製造領域迎來一（yī）場全新的變革，這輪革新源於新一代信息技術的突破發展，以及市場需求變化和（hé）政策的大力推動。因此，製造業（yè）必須要進行轉（zhuǎn）型升級（jí），通（tōng）過融合新的技術將製造水平提升到一個新的高度。

　　在（zài）大數據和物聯網（wǎng）的強（qiáng）大支撐下，工（gōng）業加工、製造業生（shēng）產的整個產業鏈會越來（lái）越精細化，“柔性”將是未來工業加工和製造業生產的核心競爭力。

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