【導(dǎo)讀】除了最基本的取放(Pick&Place)應(yīng)用外，由于感測技術(shù)不斷進(jìn)步，現(xiàn)在機(jī)器手臂能勝任的工作已越來越多元化。 許多過去只能靠人工操作的組裝流程，例如軟板(PFC)、纜線的插件作業(yè)，現(xiàn)在也能靠機(jī)器手臂代勞;有些連人力都不見得能做得好的微米級精密組裝，只要搭配正確的感測技術(shù)，機(jī)器手臂也能大展身手。
力覺感測技術(shù)就是讓機(jī)器手臂也能勝任軟板/纜線插件、微米級精密組裝等「細(xì)活」的關(guān)鍵。 藉由力覺感測，手臂能感知其所接觸的對象反饋給機(jī)器手臂的力量，同時(shí)也讓手臂得以精準(zhǔn)地控制其對工件所施加的力道。 這不僅讓手臂得以勝任各種需要纖細(xì)力道控制的工作，對容易破碎的物體進(jìn)行作業(yè)，也讓手臂能夠精準(zhǔn)地把工件插入孔位。
力覺感測結(jié)合手臂的特殊考慮因素
對機(jī)器手臂而言，除了機(jī)器視覺之外，力覺也是一個(gè)很常見的配套感測技術(shù)。 但相較于視覺，力覺感測屬于接觸式感測，因此力覺感測的設(shè)計(jì)開發(fā)要顧慮到許多機(jī)械結(jié)構(gòu)的因素。
雖然力覺感測的技術(shù)流派眾多，但大致上都可用彈簧跟阻尼的概念來理解，因此，當(dāng)手臂上的力覺傳感器受到一股外力作用時(shí)，傳感器會有程度不一的變形。
除了傳感器本身的變形外，另一個(gè)會影響到傳感器運(yùn)作的機(jī)械性因素是傳感器跟控制器的配線。 目前市面上絕大多數(shù)的機(jī)器手臂若要搭載力覺傳感器，都是用外掛的方式加裝在手臂上，傳感器與控制器之間的連接線纜則裸露在手臂本體外。 因此，若配線時(shí)沒有保留適當(dāng)?shù)脑６龋直凵炜s運(yùn)作會拉扯到配線，使力覺傳感器受力，從而影響力覺傳感器的讀數(shù)。
圖1跟圖2是兩種力覺傳感器整合在機(jī)器手臂上的配線方式，圖1是完全外露的配線方式，圖2則是讓線路在機(jī)械手臂內(nèi)部走線。 在由圖2可看出，在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到整合力覺傳感器需求的機(jī)種，像是愛普生(Epson)的C8系列機(jī)器手臂，在配在線會相對輕松許多，因?yàn)槁懵对谕獾木€路很短，不太需要擔(dān)心手臂運(yùn)動會拉扯到線路，影響力覺感測。
除了機(jī)械性因素外，傳感器本身的噪訊水平，也是影響傳感器精準(zhǔn)度的一個(gè)重要因素。 為了獲得更好的分辨率，傳感器本身的噪訊水平必須非常低，否則訊號會被噪聲蓋過。
簡化開發(fā)/降低成本 統(tǒng)一軟硬件平臺有大用
不可諱言的是，力覺感測是一種成本較高，應(yīng)用上也有比較多因素需要考慮的技術(shù)，因此，目前力覺感測在產(chǎn)在線的運(yùn)用還沒到十分普及的地步。 如何降低門坎，遂成為手臂/力覺方案供貨商必須面對的課題。
就如同機(jī)器視覺跟機(jī)器手臂采用統(tǒng)一平臺，可以帶來很顯著的效益。 力覺跟手臂供貨商如果能預(yù)先考慮到整合應(yīng)用的需求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就提出完整的對策，也可幫用戶跟系統(tǒng)整合者省下許多麻煩。 前面提到，在手臂本體上預(yù)留力覺傳感器的連接接口，就是一個(gè)很顯著的例子。
不過，如果是只提供機(jī)器手臂或力覺感測方案的業(yè)者，要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間就有這么周延的考慮，其實(shí)有實(shí)務(wù)上的困難，而這也是由單一供貨商包辦整套方案的優(yōu)勢所在。
以愛普生為例，在硬件面，除了手臂上預(yù)留連接接口之外，如果能直接在手臂控制器上內(nèi)建力覺傳感器接口，就有機(jī)會幫用戶省下額外采購力覺感測處理器的成本。 如果是在比較單純的應(yīng)用情境，例如一支手臂搭配一顆力覺傳感器的狀況下，愛普生的手臂控制器(CU Controller)可以透過安裝適配卡的方式，直接與力覺傳感器建立聯(lián)機(jī)。 但如果應(yīng)用需要用到多顆力覺傳感器，則可以采用額外的一對多處理器，再與手臂控制器連接(圖3)。
在軟件整合層面，如果手臂跟力覺傳感器來自兩家不同的供貨商，系統(tǒng)整合者(SI)或制造業(yè)者內(nèi)部的自動化工程團(tuán)隊(duì)，也很難期望能用同一套開發(fā)工具為手臂跟力覺編寫控制程序，數(shù)據(jù)拋轉(zhuǎn)也會是個(gè)蠻麻煩的問題。 但如果手臂跟力覺來自同一家供貨商，不僅開發(fā)工具統(tǒng)一，甚至連程序撰寫都會變得相當(dāng)輕松。
事實(shí)上，對愛普生手臂跟力覺的軟件整合者而言，手臂跟力覺的整合是非常直覺的。 用戶甚至只須在既有的手臂控制程序后面加上一段力覺描述，就能完成軟件整合。 用戶也可以把力覺感測宣告為某種手臂動作的觸發(fā)條件，當(dāng)力覺傳感器感應(yīng)到對應(yīng)的力量訊號，就能指揮手臂進(jìn)行對應(yīng)的動作。
此外，為了簡化手臂控制程序的編寫，有些機(jī)器手臂業(yè)者開始推廣手動教導(dǎo)式編程的概念，也就是用人手拉著機(jī)器手臂，讓機(jī)器手臂自行紀(jì)錄其運(yùn)動軌跡，以取代傳統(tǒng)的程序編寫。 這種做法在協(xié)作型機(jī)器手臂上很流行，但工業(yè)手臂搭配力覺傳感器，其實(shí)也可以實(shí)現(xiàn)類似的功能。 在手動教導(dǎo)模式下，手臂運(yùn)動是外力(人手拉動)所造成的，故手臂上只要有力覺傳感器，能一五一十地記錄下手臂本體所受到的外力大小、方向，也能做到類似的功能。
力覺感測拓展機(jī)器手臂應(yīng)用范疇
對電子產(chǎn)品的組裝作業(yè)來說，使用整合了高分辨率力覺傳感器的機(jī)器手臂，最大的優(yōu)勢在于可以執(zhí)行十分高精密度的插件組裝作業(yè)。 此外，在高分辨率力覺感測的輔助之下，有些至今仍必須采用人工插件的作業(yè)程序，也可以改由機(jī)器手臂執(zhí)行。
在高精度插件應(yīng)用方面，由于許多電子終端產(chǎn)品都越來越小巧，因此其連接器跟板卡之間的空隙或公差，也跟著縮小到數(shù)十微米等級。 在這種情況下，即便用人力來插件，也未必能有很高的作業(yè)效率，因?yàn)榘蹇ǜB接器之間的縫隙太小了，如果插入的方向稍微有點(diǎn)角度偏差，就會無法插入。
但整合了高精度力覺傳感器的機(jī)器手臂，在夾持工件插入連接器的過程中，會不斷感測到接觸面施予工件的反作用力，并藉此不斷調(diào)整其插入的角度，正確地完成插件作業(yè)。 如果在連接器母座上有導(dǎo)角設(shè)計(jì)，還可以發(fā)揮引導(dǎo)手臂尋找孔穴的效果，加快組裝作業(yè)的速度。 根據(jù)愛普生的測試，整合高分辨率力覺傳感器的手臂，即便公頭跟母座間的公差或縫隙只有1條(10微米)，也可以順利執(zhí)行插件作業(yè)。
另一個(gè)插件應(yīng)用的案例則是傳統(tǒng)電容的插件作業(yè)。 雖然現(xiàn)在大多數(shù)電子產(chǎn)品已經(jīng)不再采用帶有兩條插腳的傳統(tǒng)電容，改用芯片電容，但由于芯片電容的容值較小，因此某些應(yīng)用還是得采用傳統(tǒng)封裝的大型電容。
就產(chǎn)品組裝來說，要在電路板上正確插入這種電容，最大的挑戰(zhàn)在于電容的接腳既長又軟，很容易受力變形、歪曲，因此在組裝時(shí)，往往還是得用人工插件來安裝這類電容。 然而，在高精度力覺感測的輔助下，機(jī)器手臂可以先把電容的正極(長腳)插入電路板上的孔穴，然后再用力覺感測幫負(fù)極(短腳)尋找到正確的孔穴，完成插件作業(yè)。 只要長短腳之間的開岔變形在容許范圍內(nèi)，手臂就能完成自動組裝。
軟性電路板(FPC)、扁平電纜的組裝，目前也大多仍由人工進(jìn)行，因?yàn)檐洶濉⒈馄诫娎|的插件作業(yè)對力道控制有相當(dāng)?shù)囊螅也逋旰笥袝r(shí)還要稍微回拉，以確定連接器跟扁平電纜/軟板已牢固接合。 若要用機(jī)器手臂執(zhí)行這種需要精準(zhǔn)力道控制的作業(yè)，力覺感測技術(shù)可說是基本配備。
除了這些精密組裝之外，力覺感測還有其他的應(yīng)用潛力，例如運(yùn)用在軸承跟轉(zhuǎn)軸的組裝，或是工件的拋光處理上。
軸承跟轉(zhuǎn)軸的組裝有時(shí)需要用恒定的力量持續(xù)推動轉(zhuǎn)軸，使其穿過軸承，這時(shí)力覺感測就能派上用場。 在拋光作業(yè)方面，現(xiàn)在普遍的作法是讓手臂夾持著工件，按照固定的路線跟角度，讓工件與砂輪機(jī)產(chǎn)生接觸。 但這種做法無法確定工件跟砂輪機(jī)接觸的力道，當(dāng)砂輪隨著時(shí)間出現(xiàn)磨耗，工件的拋光效果會慢慢變得不如預(yù)期。 若是有力覺感測技術(shù)輔助，則工件跟砂輪接觸的力量便可一直保持在恒定狀態(tài)。
慢工出細(xì)活 手臂動作速度將受限制
對制造業(yè)者來說，機(jī)器手臂的動作速度越快，則生產(chǎn)線的產(chǎn)能越大，因此制造業(yè)者在使用機(jī)器手臂時(shí)，往往會希望手臂無時(shí)無刻保持全速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。 然而，如果要用機(jī)器手臂做精密組裝，則手臂運(yùn)作的速度會受到一定限制，因?yàn)椤嘎こ黾?xì)活」這句話在機(jī)器手臂上面也同樣適用。
對力覺傳感器來說，手臂運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度，其實(shí)是一種干擾訊號。 因此，若想用搭載力覺的手臂來做精密組裝，手臂的加速度不能超過精密組裝所需的力覺分辨率門坎限制。 這也意味著手臂在做精密組裝時(shí)，動作必然要放慢。 因此，制造業(yè)者若有精密組裝的需求，在此作業(yè)階段可視產(chǎn)能需求，多設(shè)幾個(gè)平行工作站來避免精密組裝成為產(chǎn)線的瓶頸。
另外，將自動化生產(chǎn)納入考慮的設(shè)計(jì)觀念(Design for Automation, DfA)，在未來也會越來越受到重視。 一點(diǎn)小小的設(shè)計(jì)變更，就能讓機(jī)器手臂作業(yè)變得更順暢。 DfA是一個(gè)跨部門，跨產(chǎn)業(yè)的議題，需要各方通力合作，才能找到理想的解決方法。
推薦閱讀：
