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      由于感測技術不斷進步,現在機器手臂能勝任的工作已越來越多元化

      發布時間:2018-11-05 責任編輯:wenwei

      【導讀】除了最基本的取放(Pick&Place)應用外,由于感測技術不斷進步,現在機器手臂能勝任的工作已越來越多元化。 許多過去只能靠人工操作的組裝流程,例如軟板(PFC)、纜線的插件作業,現在也能靠機器手臂代勞;有些連人力都不見得能做得好的微米級精密組裝,只要搭配正確的感測技術,機器手臂也能大展身手。
       
      力覺感測技術就是讓機器手臂也能勝任軟板/纜線插件、微米級精密組裝等「細活」的關鍵。 藉由力覺感測,手臂能感知其所接觸的對象反饋給機器手臂的力量,同時也讓手臂得以精準地控制其對工件所施加的力道。 這不僅讓手臂得以勝任各種需要纖細力道控制的工作,對容易破碎的物體進行作業,也讓手臂能夠精準地把工件插入孔位。
       
      力覺感測結合手臂的特殊考慮因素
       
      對機器手臂而言,除了機器視覺之外,力覺也是一個很常見的配套感測技術。 但相較于視覺,力覺感測屬于接觸式感測,因此力覺感測的設計開發要顧慮到許多機械結構的因素。
       
      雖然力覺感測的技術流派眾多,但大致上都可用彈簧跟阻尼的概念來理解,因此,當手臂上的力覺傳感器受到一股外力作用時,傳感器會有程度不一的變形。
       
      除了傳感器本身的變形外,另一個會影響到傳感器運作的機械性因素是傳感器跟控制器的配線。 目前市面上絕大多數的機器手臂若要搭載力覺傳感器,都是用外掛的方式加裝在手臂上,傳感器與控制器之間的連接線纜則裸露在手臂本體外。 因此,若配線時沒有保留適當的裕度,手臂伸縮運作會拉扯到配線,使力覺傳感器受力,從而影響力覺傳感器的讀數。
       
      圖1跟圖2是兩種力覺傳感器整合在機器手臂上的配線方式,圖1是完全外露的配線方式,圖2則是讓線路在機械手臂內部走線。 在由圖2可看出,在設計時就考慮到整合力覺傳感器需求的機種,像是愛普生(Epson)的C8系列機器手臂,在配在線會相對輕松許多,因為裸露在外的線路很短,不太需要擔心手臂運動會拉扯到線路,影響力覺感測。
       
      由于感測技術不斷進步,現在機器手臂能勝任的工作已越來越多元化
       
      除了機械性因素外,傳感器本身的噪訊水平,也是影響傳感器精準度的一個重要因素。 為了獲得更好的分辨率,傳感器本身的噪訊水平必須非常低,否則訊號會被噪聲蓋過。
       
      簡化開發/降低成本 統一軟硬件平臺有大用
       
      不可諱言的是,力覺感測是一種成本較高,應用上也有比較多因素需要考慮的技術,因此,目前力覺感測在產在線的運用還沒到十分普及的地步。 如何降低門坎,遂成為手臂/力覺方案供貨商必須面對的課題。
       
      就如同機器視覺跟機器手臂采用統一平臺,可以帶來很顯著的效益。 力覺跟手臂供貨商如果能預先考慮到整合應用的需求,在產品設計時就提出完整的對策,也可幫用戶跟系統整合者省下許多麻煩。 前面提到,在手臂本體上預留力覺傳感器的連接接口,就是一個很顯著的例子。
       
      不過,如果是只提供機器手臂或力覺感測方案的業者,要在產品設計時間就有這么周延的考慮,其實有實務上的困難,而這也是由單一供貨商包辦整套方案的優勢所在。
       
      以愛普生為例,在硬件面,除了手臂上預留連接接口之外,如果能直接在手臂控制器上內建力覺傳感器接口,就有機會幫用戶省下額外采購力覺感測處理器的成本。 如果是在比較單純的應用情境,例如一支手臂搭配一顆力覺傳感器的狀況下,愛普生的手臂控制器(CU Controller)可以透過安裝適配卡的方式,直接與力覺傳感器建立聯機。 但如果應用需要用到多顆力覺傳感器,則可以采用額外的一對多處理器,再與手臂控制器連接(圖3)。
       
      由于感測技術不斷進步,現在機器手臂能勝任的工作已越來越多元化
       
      在軟件整合層面,如果手臂跟力覺傳感器來自兩家不同的供貨商,系統整合者(SI)或制造業者內部的自動化工程團隊,也很難期望能用同一套開發工具為手臂跟力覺編寫控制程序,數據拋轉也會是個蠻麻煩的問題。 但如果手臂跟力覺來自同一家供貨商,不僅開發工具統一,甚至連程序撰寫都會變得相當輕松。
       
      事實上,對愛普生手臂跟力覺的軟件整合者而言,手臂跟力覺的整合是非常直覺的。 用戶甚至只須在既有的手臂控制程序后面加上一段力覺描述,就能完成軟件整合。 用戶也可以把力覺感測宣告為某種手臂動作的觸發條件,當力覺傳感器感應到對應的力量訊號,就能指揮手臂進行對應的動作。
       
      此外,為了簡化手臂控制程序的編寫,有些機器手臂業者開始推廣手動教導式編程的概念,也就是用人手拉著機器手臂,讓機器手臂自行紀錄其運動軌跡,以取代傳統的程序編寫。 這種做法在協作型機器手臂上很流行,但工業手臂搭配力覺傳感器,其實也可以實現類似的功能。 在手動教導模式下,手臂運動是外力(人手拉動)所造成的,故手臂上只要有力覺傳感器,能一五一十地記錄下手臂本體所受到的外力大小、方向,也能做到類似的功能。
       
      力覺感測拓展機器手臂應用范疇
       
      對電子產品的組裝作業來說,使用整合了高分辨率力覺傳感器的機器手臂,最大的優勢在于可以執行十分高精密度的插件組裝作業。 此外,在高分辨率力覺感測的輔助之下,有些至今仍必須采用人工插件的作業程序,也可以改由機器手臂執行。
       
      在高精度插件應用方面,由于許多電子終端產品都越來越小巧,因此其連接器跟板卡之間的空隙或公差,也跟著縮小到數十微米等級。 在這種情況下,即便用人力來插件,也未必能有很高的作業效率,因為板卡跟連接器之間的縫隙太小了,如果插入的方向稍微有點角度偏差,就會無法插入。
       
      但整合了高精度力覺傳感器的機器手臂,在夾持工件插入連接器的過程中,會不斷感測到接觸面施予工件的反作用力,并藉此不斷調整其插入的角度,正確地完成插件作業。 如果在連接器母座上有導角設計,還可以發揮引導手臂尋找孔穴的效果,加快組裝作業的速度。 根據愛普生的測試,整合高分辨率力覺傳感器的手臂,即便公頭跟母座間的公差或縫隙只有1條(10微米),也可以順利執行插件作業。
       
      另一個插件應用的案例則是傳統電容的插件作業。 雖然現在大多數電子產品已經不再采用帶有兩條插腳的傳統電容,改用芯片電容,但由于芯片電容的容值較小,因此某些應用還是得采用傳統封裝的大型電容。
       
      就產品組裝來說,要在電路板上正確插入這種電容,最大的挑戰在于電容的接腳既長又軟,很容易受力變形、歪曲,因此在組裝時,往往還是得用人工插件來安裝這類電容。 然而,在高精度力覺感測的輔助下,機器手臂可以先把電容的正極(長腳)插入電路板上的孔穴,然后再用力覺感測幫負極(短腳)尋找到正確的孔穴,完成插件作業。 只要長短腳之間的開岔變形在容許范圍內,手臂就能完成自動組裝。
       
      軟性電路板(FPC)、扁平電纜的組裝,目前也大多仍由人工進行,因為軟板、扁平電纜的插件作業對力道控制有相當的要求,而且插完后有時還要稍微回拉,以確定連接器跟扁平電纜/軟板已牢固接合。 若要用機器手臂執行這種需要精準力道控制的作業,力覺感測技術可說是基本配備。
       
      除了這些精密組裝之外,力覺感測還有其他的應用潛力,例如運用在軸承跟轉軸的組裝,或是工件的拋光處理上。
       
      軸承跟轉軸的組裝有時需要用恒定的力量持續推動轉軸,使其穿過軸承,這時力覺感測就能派上用場。 在拋光作業方面,現在普遍的作法是讓手臂夾持著工件,按照固定的路線跟角度,讓工件與砂輪機產生接觸。 但這種做法無法確定工件跟砂輪機接觸的力道,當砂輪隨著時間出現磨耗,工件的拋光效果會慢慢變得不如預期。 若是有力覺感測技術輔助,則工件跟砂輪接觸的力量便可一直保持在恒定狀態。
       
      慢工出細活 手臂動作速度將受限制
       
      對制造業者來說,機器手臂的動作速度越快,則生產線的產能越大,因此制造業者在使用機器手臂時,往往會希望手臂無時無刻保持全速運轉狀態。 然而,如果要用機器手臂做精密組裝,則手臂運作的速度會受到一定限制,因為「慢工出細活」這句話在機器手臂上面也同樣適用。
       
      對力覺傳感器來說,手臂運動所產生的加速度,其實是一種干擾訊號。 因此,若想用搭載力覺的手臂來做精密組裝,手臂的加速度不能超過精密組裝所需的力覺分辨率門坎限制。 這也意味著手臂在做精密組裝時,動作必然要放慢。 因此,制造業者若有精密組裝的需求,在此作業階段可視產能需求,多設幾個平行工作站來避免精密組裝成為產線的瓶頸。
       
      另外,將自動化生產納入考慮的設計觀念(Design for Automation, DfA),在未來也會越來越受到重視。 一點小小的設計變更,就能讓機器手臂作業變得更順暢。 DfA是一個跨部門,跨產業的議題,需要各方通力合作,才能找到理想的解決方法。
       
       
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