技术分享：使用力/力矩控制机器人进行打磨的优势

不同于常见的工业机器人自动化应用，抛光打磨自动化一直充满了挑战。基于多年对机器人技术的突破和工艺场景的理解，Flexiv非夕科技为抛光打磨自动化提供了一个新的思路，并在机器人打磨与抛光研讨会上就主题“使用力/力矩控制机器人进行打磨的优势”进行了深入的分享。

非夕推出的自适应机器人作为力控机器人的代表之一，每个关节都装有扭矩传感器，并且在一些型号的末端中添加了额外的六维力扭矩传感器，以实现更好的传感分辨率和控制性能。

自适应机器人总共有七个关节，与六自由度(六轴)机器人相比，这一额外的自由度让机器人可以轻松适应受限的工作空间，能够在一些特定的应用场景中发挥价值。    

▍直接力控（Direct Force Control）

首先，我们来聊一下直接力控。

当传统工业机器人在进行力控制时，力指令将转换为速度指令，速度指令再转换为关节扭矩和电流指令。这其中包括了两个步骤，实际上进行的是间接力控制。

使用这种方法，机器人在力觉层面会比较僵硬，不利于打磨抛光应用。这就是大多数人选择在机器人的末端上添加顺从装置的原因之一，这样它就可以为机器人进行力控。

而对于力矩控制的机器人，力指令可以直接转换为关节扭矩指令，无需任何中间步骤。因此我们称之为直接力控。使用直接力控，机器人会获得非常快速的力觉响应，并给人一种机器人操作非常轻柔的直观感觉，而这并不会牺牲机器人在运动层面的速度与刚度。   

在平面打磨测试中，自适应机器人以1000mm/s的速度运行，同时保持对平面施加恒定的力。不仅如此，自适应机器人在曲面上的表现也同样出色，它们的工作原理非常相似。基于非夕的高精度力传感器，机器人末端的工具重量和惯性可以被自动测量并计入力控之中，所以不管我们想打磨哪个方向，都能有一致的效果。

那这种力控有多精准？在手机胶线抛光应用测试中，机器人机器人在手机侧面以轻柔的力进行快速抛光，运行速度1000mm/s，加速度为8000mm/s²，同时保持较小的力。

手机胶线抛光测试

这张图中显示了实际的力测量：蓝色的直线是目标值，也就是10N；绿线是实际测量值。当然，这是测量结果的缩放图，所以它看起来像是上下波动的。但如果仔细看数据，就会发现平均力误差只有0.2N，最大力误差小于0.7N——这样的数据足够体现自适应机器人力控的精准度。

由于非夕机器人可以在没有柔顺装置的帮助下，实现高速运动下的精确力控，且机器人的整个工作空间都可以作为浮动范围。将所有这些优势结合起来，我们就为设计打磨和抛光应用开拓了更多可能性。

当无需顺从装置时，末端工具的设计可以有更多设计空间。这样总负载会轻得多，方案中就可以使用更小的机器人，且在不同角度安装甚至倒装较小的机器人也容易得多，比如我们可以将4个自适应机器人倒装来进行清洁和抛光车顶架。

自适应机器人拂晓系列具备7个自由度，所以它有更多的自由度来避免碰撞，因此我们可以在受限的空间里装四个机器人而不必担心碰撞。

车顶架清洁

另一个优势是自适应机器人能够在一定程度上抵抗外部干扰。比如当机器人底座不稳定时（视频中人手正在用力摇晃它），机器人仍然可以保持与其表面接触、并很好地进行表面。或当机器人安装在线性轨道上，沿车架的相同方向移动，然而车架和导轨并不完全同步、它们之间存在速度差，但机器人不会受到这些干扰，依然可以很好地保持接触力并刷到指定区域。

同样的思路可以扩展到更复杂的场景，例如将自适应机器人安装在移动基座或AGV上时，它们可以比传统工业机器人更好地处理不确定性。    

▍全方位顺应性（Omnidirectional Compliance）

全方位顺应性指的是自适应机器人的顺应性不仅限于轴向或径向，它可以控制笛卡尔空间中所有方向的力。

一个打磨项目有多个打磨机是很常见的，把所有磨机都安装在机器人法兰上交替使用会更高效，因为这样可以节省工时。而对于传统的工业机器人来说，很可能每个磨机都要安装顺从装置，这会增加成本、项目复杂度和之后的维护难度。

使用具备全方位力顺应的非夕自适应机器人，用户可以在想要的任何TCP框架中定义力控、可以在线切换TCP框架。比如我们先在左侧磨机中设置了力控制，然后将力控功能切换到右侧的磨机上，这对机器人来说没有太大影响。

实际应用中，当想在磨机和打磨抛光的表面之间增加一个接触角时，真正需要在意的是表面法向力，而不是实际力。因此如果在编程中使用了轴向力，那么每次修改接触角度时都需要再次更改轴向力值，这样非常不方便。

如果自适应机器人，就可以直接设置作用于某个表面的法向力，它将丝毫不受接触角度影响。实际上，操作者也可以沿打磨路径设置不同的接触角，而不用更改任何力控制设置，无论是在平面还是曲面上。

基于这种全方位的顺从性，我们为自适应机器人开发了几个聪明的功能，比如机器人可以在提前不了解工件的情况下做曲面跟随。

当我们只给机器人一个初始速度、让它往上走时，可以看到机器人会在拐角处自动转弯，同时保持与该表面的接触力。并且在整个过程中，机器人的TCP不旋转，只有力的方向会自动旋转。此外，即使碰到尖角，它也能快速转弯，这展现了该曲面跟随功能的灵敏度，当在客户现场进行部署时，这个功能将大幅缩短轨迹调整的时间。

另一个有趣且智能的功能叫做曲面贴合。在测试中，我们对机器人进行编程使其以流线型来回运行，没有给机器人任何关于曲面（也就是这里的透明塑料工件）的信息，但是机器人可以自动转动磨机的方向，使其与曲面完全接触。这是通过调节TCP上的力和力矩来实现的。

当转动曲面时，机器人也要适应姿态变化，但机器人始终可以调整其方向并适应新的姿态；无论往哪个方向转动工件曲面，机器人总是很快适应，甚至可以把它抬起来，或给它一点干扰来证明它并没有在做位置控制。

如下所示，视频中固定装置直径约120mm，那是我们能贴合的最小的曲率。对于这种曲率，在设置时需要给出两条线（在第二个视频中固定装置的顶部），由两条红线表示，形成一个三角形。我们把这个三角形传给机器人，机器人会完成剩下的工作，它将遵循实际曲线。    

有趣的是，这个功能不受磨机的限制，磨机是什么形状都不重要，实际上即使是单点接触仍然可以使用此功能。

全方位顺应性的另一个典型应用场景是配合独立的打磨设备。比如机器人可以握住工件并在磨机上打磨，相对于机器人的力的方向一直在变化。如果使用自适应机器人，就可以将独立磨机设置为外部TCP，并相较于磨机来定义力的方向，所以不管机器人如何转动，它的顺应方向都是一致的。这意味着用户不用再定制独立的打磨设备，直接使用任何市面上的标准产品，机器人都可以顺应。

另一个便于使用的特点是，当对非夕机器人进行编程时，无需一直用Jog模式操纵机器人。可以直接通过手动示教，将机器人拖动到某个点并记录路径点。

▍减振（Vibration Reduction）

减振是力矩控制机械臂的固有特征。

下图是自适应机器人振动测试的表现。测试的方式是在机器人末端安装了一个5英寸的打磨机，并命令机器人抵住一个表面，然后观察机器人每个关节的振动数据。测量振动的方法是使用力矩导数，我们在每个关节上测量的力矩导数代表了它的振动程度，七幅图代表了七个关节的振动。 

图上的蓝线是机器人处于位置控制时的振动信号，橙色线是机器人在力矩控制模式下的振动信号。数据出自同一个机器人，但控制模式不同。可以看到，使用力矩控制可以将振动降低25%至50%，这意味着机器人可以在恶劣的环境中工作更长时间。

▍自适应机器人力控打磨示例

在汽车底盘焊点打磨应用中，打磨引发的振动非常强，即使用两只手也很难稳定地握住打磨机，而且操作空间很小，所以很难沿直线打磨。手动完成单个焊点大约需要20秒。    

而自适应机器人接触到打磨工件时几乎没有任何变化，打磨带来的振动被处理掉了。机器人在焊接点上施加了大约40N的恒定力，并以流线型打磨，不到三秒钟即可完成一个焊接点。右图展现了机器人打磨的最终结果，比左侧人工打磨的干净得多。我们在客户的工厂部署了几个这样的工站，每天工作20小时、打磨700多辆汽车。

另一个来自汽车行业的例子是打磨车门框周围的焊接飞溅。左图是刚刚焊接完的框架，看起来很脏。对于这个轨迹，无需明确这个车门框的所有细节，我们只需要编程7到8个路径点就可以粗略的描述这个车门框的形状。因为自适应机器人的浮动范围很大，可以自动处理这些小细节。

随着时间的推移，这种刷轮的直径会缩小大约10-20mm，但这不是问题，因为机器人会自动补偿工具损耗。因此，使用非夕的自适应机器人，每一个刷轮都可以保质保量地打磨4000多辆车。

吉他侧围在涂漆之前需要经过精细的打磨。吉他的侧面有复杂的曲面，如果使用机器人拿着打磨机是很难编程的。使用自适应机器人则可以将外部TCP设置在带式砂磨机上，然后拖动机器人转一整圈，这样更便于编程。

同时，操作者也可以设置相对于带式砂磨机的力控。使用这种带式砂磨机与手持的砂带机相比，磨削效率要高得多，因此总节拍只需要10秒。测试画面里没有完成整周打磨，因为我们使用的砂磨机半径有点大，它不适合最后一个拐角，但我们完全可以能打磨那里。

硅胶耳塞合模线去除应用展现了自适应机器人的微小力处理能力。从图中可以看到，耳塞的合模线非常微小、很难被看到，但如果不去除它，产品会看起来非常廉价。因此该应用的目标是在去除那些合模线的基础上，不伤害硅胶表面的平滑度。

同时硅胶耳塞非常柔软，每次把它放进夹具里，它的位置都会有一点变化，所以没法使用位置控制，必须使用力控来处理这种情况。    

机器人在这个应用中可以使用的力只有0.5N，否则会损坏表面。而我们的自适应机器人不仅可以控制一个很小的力，同时还会旋转力的方向，这样力可以一直垂直于曲面。可以从右图中看到最终的去除结果——合模线没有了，耳塞表面仍然非常光滑。

此外，还有手机除胶应用。组装手机时，有一步是按压手机屏幕玻璃。按压时一些胶水可能会从缝隙溢出，必须要对它进行处理，否则胶留在那里很难看。

为了做到这一点，机器人必须以相当高的速度运行——每秒600毫米。但同时也必须保持一个非常精确的力，这样就不会损坏手机，也不会在玻璃上留下任何划痕，所以必须进行精准的力控。

通过直接力控（Direct Force Control）、全方位顺应性（Omnidirectional Compliance）和减振（Vibraton Reduction），使用力/力矩控制的机器人能够在高速运行中进行精细、实时的力控，从而柔性处理针对各种表面的打磨抛光类任务。因此作为力控机器人代表的非夕自适应机器人，能够在表面处理类应用中有十分优异的表现，持续帮助不同领域的客户解决自动化难题。    

-----------------END-------------------