工业机器人技术解密之动力学应用：碰撞检测

随着机器人应用范围增大，人们对机器人的要求也越来越高，尤其在机器人安全性能方面。最初研制的机器人只能完成一些简单的重复任务，不具备人机交互能力；随着技术的高速发展，机器人趋于智能化，能够完成更加复杂的任务，例如喷涂、装配、钻孔等。

传统的工业机器人并未配备适当的安全和碰撞检测系统。因此，为保证机器的安全运行，往往要求配备防护栏，用于保证运行时与人隔离。

但是随着技术发展，机器人开始承担越来越复杂的任务。这些任务往往要求工作人员即时介入，因而使得如何实现安全的人机交互成为至关重要的问题。为保证安全，控制器需要实时检测机器人与工作人员之间是否存在碰撞，并通过相应的控制策略保证碰撞不至于伤害工作人员。

当前，大多数检测碰撞或碰撞力都是通过添加外部传感器实现的。

1.采用腕力传感器来检测碰撞：该方法可以精确检测手抓末端的碰撞力，但无法检测机器人其它部位的碰撞，故而检测范围受限，一般应用于磨削力、装配力等手抓末端碰撞力的检测。

2.采用感知皮肤来检测碰撞：该方法将感知皮肤覆盖在机器人全身，可检测到任意部位的碰撞。但缺点在于，布线比较复杂，抗干扰能力较差，且极大的增加了处理器的运算量。凡是使用外部传感器检测碰撞或碰撞力的方法，都不可避免的导致系统成本和复杂程度的大幅上升。

3.采用电机的电流或者反馈的力矩来检测碰撞：这是一种能够广泛应用于各种工业机器人的方案，无需额外添加传感器，且检测范围能够覆盖机器人的整个表面。

综上，前两种方法均在不同程度上具有局限性，第一种方法检测范围受限，第二种方法布线复杂，而第三种方法则完美解决了前两者的不足。三种方法，高下立判。

考虑到工业机器人的实际工作情况和性能要求，广州启帆采用的正是上述第三种方法，即利用机器人自身传感器来检测碰撞。

实现碰撞检测的流程为，通过驱动读取当前机器人各关节的位置、速度和加速度，再将对应的参数代入下式：

其中

公式中的是通过逆动力学算得的电机所需要的力矩，其计算公式包括惯性力项、 科里奥利力和离心力项 、重力项及摩擦力项。而当中的摩擦力项根据选择的摩擦力模型可分解为粘性摩擦力项、库仑摩擦力项以及补偿。

咋看之下，该过程类似于拖动示教，但接下来对于理论力矩的使用就截然不同了。在碰撞检测中，此理论力矩值将与通过驱动读取的实际力矩值进行比对。如产生较大差值（即超出设定的临界值），则可判断为机器人遇到了障碍或发生了碰撞。

【总结】
碰撞触发式的碰撞检测技术，作为防碰撞技术的最后一道保障，确切关乎着使用者和机器人的安全。只有实现了这一技术，才能实现机器人在无人看管下依然能够长时间持续运转的目标。

通过利用电机的电流或反馈的力矩而实现的碰撞检测，启帆生产的工业机器人能够在不额外添加传感器的前提下实现机器人本体各部分的碰撞检测，这不但提高了人机交互的安全性和机器人本身的安全性，也从某种程度上提高了机器人的耐用度，同时延长其使用寿命。