傳感器在協作機器人中的典型應用

概述

隨著工業對生產效率的要求越來越高，機器人和自動化逐漸成為現代工廠的常態。

根據國際機器人聯合會（IFR）發布的《新世界機器人2020工業機器人》報告，2019年，中國新機器人的銷售和發貨量約為14.05萬臺。2020年，78.3萬臺工業機器人在中國工廠運行，增長21%。從2019年到2027年，全球工業機器人市場預計將繼續穩步增長。


根據Statista的統計數據，2019年全球約有270萬臺工業機器人投入運營，市場規模估計接近400億美元，到2027年，市場規模預計將超過1000億美元。

機器人市場按應用細分，可分為工業機器人、服務機器人和協作機器人。IFR將工業機器人定義為“一種自動控制、可重新編程、多功能機械臂，具有三個或更多可編程軸，該機械臂可以是固定的或鉸接的，用于工業自動化應用”。

協作機器人是指能夠在共享工作空間中與人類密切互動的機器人。與工業機器人不同，協作機器人可以與人類密切接觸，并在生產和生活中扮演不同的角色：例如，在辦公室環境中，作為與人類協作的自主機器人，或在工廠中作為沒有保護罩的工業機器人。

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

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。扭矩計具有一個集成的機械止動塊，用于增加過載能力，并在安裝和運行期間提供額外保護。TE提供各種用于動態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設備同時測量，這些傳感器還可以檢測角度位置并提供速度測量。

與工業機器人不同，協作機器人需要與工人互動，因此它們的安全要求越來越嚴格，需要集成大量監控技術。其中一項技術是安全扭矩傳感器，它監測cobot不同樞軸點的機械扭矩。

安全扭矩傳感器通常集成到協作機器人的關節單元中。關節組件是一個完整的系統，通常包括一個或多個角度傳感器、一個電機和一個諧波減速器。關節單元驅動機器人每只手臂的運動，而扭矩傳感器用于檢測電機和諧波減速器內的扭矩。控制電路使用扭矩水平來閉合關節，以防止損壞機械臂本身，或者在配合使用時，防止對相關工人造成傷害。在機器人應用中，扭矩傳感器給系統帶來的好處推動了從使用功率限制系統到使用扭矩傳感器的轉變。

扭矩傳感器提高了機器人系統的安全性和可靠性，并通過縮短響應時間和提高精度來確保人身安全。

TE Cobot環形安全扭矩傳感器始于一個整體式彎管，旨在將扭矩轉換為機械應力。扭矩傳感器基于集成MEMS稱重傳感器，該傳感器將機械扭矩轉換為與施加扭矩成比例的數字輸出信號。根據應用情況，可以設置扭矩閾值，以便在有人受傷或cobot本身損壞之前關閉cobot。

TE的安全扭矩傳感器旨在提供準確的扭矩數據，同時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構基于雙通道系統，并包括用于檢測安全相關錯誤的附加功能。TE的安全扭矩傳感器專門針對協作機器人進行了優化，具有低串擾敏感性，以提高精度。由于支持定制的機械接口，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，并在提高協作機器人的安全性和可靠性方面發揮重要作用。

力檢測

機械臂中需要大量的力檢測和力反饋數據，以確定抓取物體時的力是否合適，并通過不同的稱重數字確保制造過程的一致性。除其他外，力傳感器負責機械臂的力。力傳感器最基本的特性是靈敏度、穩定性、重復性和準確性。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見的負載），而不會造成損壞。

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計相結合。核心傳感元件是一個微加工硅壓阻半導體應變計。每個力傳感器都有四個精心布置的MEMS芯片。根據緊密匹配的熱/電操作特性，這些應變計配對成惠斯通電橋，兩個應變計測量張力，另兩個測量壓縮。電橋產生的差分電壓輸出信號與外界施加在FX29基板上的力成正比。

半導體應變計的靈敏度是許多制造商使用的鍵合箔式應變計（BFSG）技術的75倍，因此支持更硬的承重結構和更低的應力水平，但仍能產生10倍的信號輸出，非常適合對靈敏度和穩定性有高要求的機械臂應用。

位置檢測

除了監控動作的力度，機械臂還必須監控其軌跡，并且對精度和響應有很高的要求。機械臂在操作過程中發電，磁阻傳感器通過增加垂直磁場來監測該期間的電阻變化，以測量機械臂的角位移，從而監測設備并了解機械臂的軌跡。某些材料的磁電阻變化與磁場和電流之間的角度有關，稱為各向異性磁電阻效應，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備，用于測量傳感器感應到的磁場角度的變化。

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

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

設計自由度：垂直或平面焊接版本，傳感器壁厚較小，適用于大氣隙應用。

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