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   自动化那些事        

近年来,机器人对重复性任务的自动化做出了广泛的贡献,基于位置控制的方法代表了有效的解决方案。然而,其他接触任务,如精加工,去毛刺和磨削需要位置和力控制。


到目前为止,尽管有了成本效益高的机器人解决方案,但这些任务仍然由熟练的操作员手动执行,这主要是因为编程耗时且不够灵活,无法适应产品或任务的变化。另一种方法是通过演示进行教学,使用手持工具捕捉力和接触点,同时由专家操作人员执行加工任务。


该研究提出了一种新的方法,用于检测用于抛光研磨的手持工具,用于监控熟练操作人员的性能,这可以在未来的工作中转化为机器人编程和控制的规划策略。本文以“Design and characterization of an instrumented hand-held power tool to capture dynamic interaction with the workpiece during manual operations”为题于2020年9月25日发布于《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》杂志上。


研究背景


时至今日,机器人通常被部署在工业任务中,这些任务中机械手和它的环境之间需要很少或没有动态交互,这使得传统的基于位置控制的方法是一个合适的选择。然而,有一类重要的工业任务,如表面加工,如图所示,涉及到与环境的连续和不可忽略的物理交互作用,不能简单地依靠位置信息来执行任务。


尽管人工成本高、健康问题和质量控制问题,但这类任务不能完全自动化,仍然需要专业操作员的介入来完成这些任务。一个可能的替代方法是通过演示来教机器人。尽管通过演示进行教学的大多数文献只关注于复制人体运动的运动学,但最近的调查也开始关注动态或触觉方面。


图为手持式工具手工抛光的实例


在该研究中,研究者特别感兴趣的工业任务涉及到手持工具,在现实场景中,用户的运动不受任何子空间或旋转轴的限制。为了解决这些问题,研究者提出用手持式旋转工具来评估三维运动学和交互动力学。大量的文献已经证明了使用各种力传感机制来精确测量任务期间产生的力和力矩。


该研究介绍了一种手持式工具,它能够捕捉手持式刀具与工件之间的三维运动学和三维相互作用动力学(力和力矩)。


图为用六通道负荷单元估算压力中心(COP)


自动化接触型工装任务要求清楚地了解人的操作人员如何与工件和工具交互,包括路径信息、力/力矩相互作用以及与工件的点/线。


图为a仪器仪表的设计方法b一种实现的原型CAD模型


图为仪器化旋转工具


介绍了所提出的工具的实验测试,以确定测量的接触力/扭矩的准确性,以及在与工件相互作用时,当工具固定时的估计接触点的精度。


为了将控制力应用于工具上作为标准,研究者使用了一个单自由度的电缆驱动机器人,它的末端有一个指针装置,由电流控制的直流电机驱动。


图为实验装置



图为a仪器测量力的比较b仪器测量的力与机械装置在一定范围内施加的力之间的力估计误差图


图为a灵敏度分析表明b置信度椭圆的表面积随距离的增加而增大


机械耦合器的实际功能是机械变形,以吸收主轴和工具轴之间固有的不对中,同时传递旋转扭矩。由于这种弹性变形,除了传递的自旋力矩外,负载单元还会产生虚假的反作用力和力矩,它们是角位置的周期函数。


图为从0到2π rad周期函数


图为考虑车钩刚度的模型(Kcp)和托架组件的寄生刚度(Kb)关于力量读数


图为a比较z-测量力之间的方向 b仪器测量的力(校准后比较)


图中a在没有耦合器的极坐标下,力的测量离散点的精度b无耦合器作用范围内接触点估计误差图


图中a2000年车轮旋转时极坐标下力的测量离散点的精度b2000年车轮旋转时作用力范围接触点估计误差图


在低作用力水平下,接触点近似具有较高的变化度。但是,随着接触力的增大,接触点估计的精度提高,变率降低。计算接触点的作用力大于3N。


研究结论


该研究提出了一种新的方法,将用于检测抛光和研磨的手持工具用于监控熟练操作人员的性能,这可以在未来的工作中转化为机器人编程和控制的规划策略。更具体地说,仪表化的工具被设计用来监测与工件和接触点的相互作用力,这些相互作用力产生的地方。


研究者设计的关键部件是一个灵活的耦合器,在理想情况下,它只传递旋转力矩来旋转抛光砂轮,而所有剩余的扭矩和力部件通过一个平行结构传递,并由一个六轴称重传感器感知。传感扭矩,除了力,允许估计接触点。这一概念通过一个外部自由度机器人实验测试,能够施加不同强度的控制力。


研究者在两种条件下测试了设计的设置:(i)在静态条件下,即没有耦合器和(ii)在动态条件下,耦合器在2000转/分旋转。条件下的实验结果表明,力的检测精度很高,力的误差在0.1 N范围内。在动态情况下,即当一个耦合器诱导2000rpm,耦合器的非理想存在明显的灵敏度在传递力,扭矩下降。


一旦知道了刀具的几何形状,就可以很容易地解释刚性但非平面的刀具。如果刀具不是刚性的,可以引入动态模型来考虑几何变形,而不用更简单的方程,然而,这将是具体的工具位,而该研究关注的是电动工具本身的仪表。


参考文献:Gia-Hoang Phan, Clint Hansen, Paolo Tommasino, Asif Hussain & Domenico Campolo Design and characterization of an instrumented hand-held power tool to capture dynamic interaction with the workpiece during manual operations  The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 199–212(2020)



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