视觉无法赋予机器人全部的智能,人类步态演变的过程可以给我们很大启发。婴儿的步态总是千奇百怪的,在他们不断练习行走的过程中,会根据地面与脚底的接触力,纠正腿部肌肉收缩的程度及时序,进而获得正常的步态。我们在正常行走的每一个步态周期内脚底与地面的接触力轮廓也较为一致。
▲步态演变与力觉
从人机交互的角度看,视觉在不发生物理接触的情况下可以获取外界环境信息,是一种认知人机交互;而力觉需要发生实际力作用方可获取外界信息,是一种物理人机交互。视觉与力觉在机器人与外界或用户交互的不同阶段发挥着不同的作用,视觉在非接触阶段可以很好地提升机器人的智能;而在接触阶段,视觉进入了盲区,机器人此时更需要力觉去感知环境的状态,学习周围环境的信息。
机器视觉在机器人领域主要的研究内容包括识别、位姿估计及视觉伺服等。相比地,机器人力觉主要包括力感知和力控制,前者是机器人感知外界环境施加在其身上的力信息,而后者是控制机器人施加的外界环境上的力。
机器人用于感知外力的传感器有很多,这里针对市面上一些常见的方案进行分类。电子皮肤:在机器人表面覆盖一层压力传感器,可直接检测环境施加在机器人全身上的力信息,精度高,但结构复杂,成本高。
底座六轴力矩传感器:把六轴力矩传感器安装在底座上,使得该传感器可获取机器人全臂与环境的力觉信息,但需建立相关的动力学模型及进行辨识。代表产品是FANUC的CR系列绿色机器人。
后面这两种六轴力矩传感器的方式还涉及到传感器标定及力矩信号处理等问题。
机器人在很多应用场合都需要力控制来控制机器人与环境的力觉,比如打磨、装配等。
打磨:打磨过程若只是控制机器人按照示教点进行位置控制,以恒定速度运行,则会由于工件表面误差而引起内力过大而损坏元器件或工件表面,工件打磨效果较差。实际打磨中会通过两种方式来减小内力,一种通过滑动磨头等弹性元件被动地消除内力,而另一种就是通过力控制方式主动地控制打磨压力,实现恒力打磨。飞边、去毛刺、抛光等场合与打磨类似。
装配:以*常见的轴孔装配为例,若只通过位置控制来进行装配,则难免会由于轴孔的加工尺寸、装配位姿等因素引起过大的装配力损伤元件,甚至无法装配。轴孔装配中会存在在不同的受力状态:初始,一点接触,两点接触;机器人需要根据不同的受力状态,需要力控制策略控制装配元件间的作用力。
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