传感器在协作机器人中的典型应用

传感器在协作机器人中的典型应用

概述

随着工业对生产效率的要求越来越高，机器人和自动化逐渐成为现代工厂的常态。

根据国际机器人联合会（IFR）发布的《新世界机器人2020工业机器人》报告，2019年，中国新机器人的销售和发货量约为14.05万台。2020年，78.3万台工业机器人在中国工厂运行，增长21%。从2019年到2027年，全球工业机器人市场预计将继续稳步增长。


根据Statista的统计数据，2019年全球约有270万台工业机器人投入运营，市场规模估计接近400亿美元，到2027年，市场规模预计将超过1000亿美元。

机器人市场按应用细分，可分为工业机器人、服务机器人和协作机器人。IFR将工业机器人定义为“一种自动控制、可重新编程、多功能机械臂，具有三个或更多可编程轴，该机械臂可以是固定的或铰接的，用于工业自动化应用”。

协作机器人是指能够在共享工作空间中与人类密切互动的机器人。与工业机器人不同，协作机器人可以与人类密切接触，并在生产和生活中扮演不同的角色：例如，在办公室环境中，作为与人类协作的自主机器人，或在工厂中作为没有保护罩的工业机器人。

无论是哪种机器人，它都与传感器密不可分。传感器为机器人提供视觉、力、触觉、嗅觉和味觉等多种感知能力，不仅可以为机器人提供外部感知功能，还可以检测机器人自身的内部工作状态、温度、负载、，检测和理解电压和其他信息，以有效确保和提高机器人自身的操作和灵敏度。随着工业4.0趋势的发展，在工厂车间使用机器人、自动化和控制系统已成为提高生产效率和盈利能力的重要途径。由于对工业机器人自动化的需求不断增加，传感器将继续成为数据采集的重要基础。

扭矩检测

扭矩传感器是用于测量反作用扭矩和扭矩的传感器。扭矩计具有一个集成的机械止动块，用于增加过载能力，并在安装和运行期间提供额外保护。TE提供各种用于动态和无功扭矩测量的小范围传感器。反作用扭矩和力可以用单个设备同时测量，这些传感器还可以检测角度位置并提供速度测量。

与工业机器人不同，协作机器人需要与工人互动，因此它们的安全要求越来越严格，需要集成大量监控技术。其中一项技术是安全扭矩传感器，它监测cobot不同枢轴点的机械扭矩。

安全扭矩传感器通常集成到协作机器人的关节单元中。关节组件是一个完整的系统，通常包括一个或多个角度传感器、一个电机和一个谐波减速器。关节单元驱动机器人每只手臂的运动，而扭矩传感器用于检测电机和谐波减速器内的扭矩。控制电路使用扭矩水平来闭合关节，以防止损坏机械臂本身，或者在配合使用时，防止对相关工人造成伤害。在机器人应用中，扭矩传感器给系统带来的好处推动了从使用功率限制系统到使用扭矩传感器的转变。

扭矩传感器提高了机器人系统的安全性和可靠性，并通过缩短响应时间和提高精度来确保人身安全。

TE Cobot环形安全扭矩传感器始于一个整体式弯管，旨在将扭矩转换为机械应力。扭矩传感器基于集成MEMS称重传感器，该传感器将机械扭矩转换为与施加扭矩成比例的数字输出信号。根据应用情况，可以设置扭矩阈值，以便在有人受伤或cobot本身损坏之前关闭cobot。

TE的安全扭矩传感器旨在提供准确的扭矩数据，同时最大限度地减少交叉载荷误差（轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩），并可作为谐波减速器的密封壁。为了满足ISO13849第4类PL e的功能安全要求，安全扭矩传感器的结构基于双通道系统，并包括用于检测安全相关错误的附加功能。TE的安全扭矩传感器专门针对协作机器人进行了优化，具有低串扰敏感性，以提高精度。由于支持定制的机械接口，传感器可以轻松定制尺寸和测量范围，以满足客户特定的要求，并在提高协作机器人的安全性和可靠性方面发挥重要作用。

力检测

机械臂中需要大量的力检测和力反馈数据，以确定抓取物体时的力是否合适，并通过不同的称重数字确保制造过程的一致性。除其他外，力传感器负责机械臂的力。力传感器最基本的特性是灵敏度、稳定性、重复性和准确性。此外，在正常使用和操作过程中，力传感器能够承受一定程度的高过载（包括意外跌落和其他不可预见的负载），而不会造成损坏。

TE的FX29按钮压缩力传感器将高性能和成本效益与非常紧凑的设计相结合。核心传感元件是一个微加工硅压阻半导体应变计。每个力传感器都有四个精心布置的MEMS芯片。根据紧密匹配的热/电操作特性，这些应变计配对成惠斯通电桥，两个应变计测量张力，另两个测量压缩。电桥产生的差分电压输出信号与外界施加在FX29基板上的力成正比。

半导体应变计的灵敏度是许多制造商使用的键合箔式应变计（BFSG）技术的75倍，因此支持更硬的承重结构和更低的应力水平，但仍能产生10倍的信号输出，非常适合对灵敏度和稳定性有高要求的机械臂应用。

位置检测

除了监控动作的力度，机械臂还必须监控其轨迹，并且对精度和响应有很高的要求。机械臂在操作过程中发电，磁阻传感器通过增加垂直磁场来监测该期间的电阻变化，以测量机械臂的角位移，从而监测设备并了解机械臂的轨迹。某些材料的磁电阻变化与磁场和电流之间的角度有关，称为各向异性磁电阻效应，可用于精确测量磁场。各向异性磁阻（AMR）传感器是一种精密的非接触式设备，用于测量传感器感应到的磁场角度的变化。

TE的KMXP系列位移传感器采用AMR技术，在高温等恶劣环境中提供卓越的精度和可靠、准确的测量。恶劣环境中的应用要求传感器在暴露于油、污垢和灰尘时性能良好。这些传感器有两个不同的DFN包，用于各种校准选项，这些包可以轻松集成到几乎任何自动装配过程中。具体好处如下：

高分辨率和高精度：采用非接触测量技术的磁阻（MR）传感器，在1-5mm范围内提供10-50μm的精度。

易于组装：DFN封装适用于任何PCB组装过程，并降低OEM制造成本。

有磁带和卷盘两种形式，便于集成。

设计自由度：垂直或平面焊接版本，传感器壁厚较小，适用于大气隙应用。

卓越的性能：能够承受高达150°C的温度，即使在肮脏的环境中也能受到EMC的保护，并且对灰尘、油和灰尘不敏感。