目前机器人的快速移动已经达到可以接受的程度,但是要保证接触的稳定性还是个问题。虽然已经研究了很多有前途的智能控制方法,但是采用缓慢连续施力的方法来控制位置的效果和性能大多不是很好。
阻抗和导纳的概念也有助于理解机器人的力控制(力和速度的关系很重要,阻抗定义为力除以速度,导纳是它的倒数。在力控制中,“导纳”被用作从稳定性和性能方面理解系统行为的方法)。沿着每个自由度,两个或多个物理系统之间的瞬时功率流可以定义为两个共轭变量(力/力和流量/速度)的乘积。但是,有一个明显的物理约束,即一个系统不能确定两个变量。机械手可以沿任意自由度对其外部物体施加力或位移或速度,但它无法兼顾这两者。因此,装配机器人应具有导纳特性,既能接受力(输入),又能产生运动(输出)。这可以理解为:一旦在装配过程中感受到接触力,机器人要按照控制规则改变运动,接触力不会继续增大。
基于最大可能被动导纳的概念,ABB工程师构思了一种智能控制方法,它可以与现有的先进bit控制方法无缝集成,并确保在大多数常见的生产环境中稳定而温和的接触。这种设计还可以确保力控制模式和位置控制模式之间的平稳过渡。
虽然具有主动力控制功能的机器人具有适应性强、可针对不同用途编程等诸多优点。,它还需要更先进的控制系统和适当的编程来指定机器人应该如何与外部约束进行交互。现在,ABB已经将研究工作的重点放在控制策略及其能力上,使机器人能够实现稳定而温和的接触,同时与外部物体进行交互。
力反馈的功能只能让工业机器人对外力做出反应,而不能告诉机器人在装配零件时如何移动。因此,力控制只能使一个柔顺的机器人尽量避免大的接触力,而没有机制使它根据零件的几何形状装配几个零件(如齿轮)。此时,虽然可以防止组件之间的卡住,但这无助于这些零件的对中。在高度不确定的条件下不是不能装配,但是因为有很多可能的接触状态无法用数学方法处理,所以通过力的相互作用来修正机器人的位置确实很困难。
ABB的解决方案是通过引入吸引力的概念,将用户从复杂的编程负担中解放出来。基于同导纳的快速力控制不仅保证了接触的平缓,而且使装配好的零件能够定位在准确的对中位置。一旦所有的定心要求都得到满足,机器人就可以开始寻找和组装它的特殊部件。典型的装配程序可以简化如下:
显然,要装配的零件越轻,就越容易施加较轻的接触力,即使在手动装配中也是如此。在装配较重的零件时,要使允许的接触力小于零件的重量,并将零件移动到设定的位置,并不是那么容易,因为这需要机械手抓住零件,克服重力,同时还要完成几个装配步骤,复杂而艰巨。
现在,以福特装配F/N变矩器壳为例。外壳重量约25kg。壳体内有双花键的齿轮组,齿轮组内要插入齿轮泵。齿轮泵的密封很重要,插入的时候要非常小心,无论如何都要保证不能损坏。同时内部必须安装花键轴,装配工作更加复杂。
为了完成这项任务,ABB的机器人解决方案最终选择了IRB6400机器人,其有效载荷能力为150kg。它可以在没有任何帮助的情况下支撑零件的重量,不会有额外的接触力。实验表明,IRB6400机器人可以处理75kg的总重量(包括零件、夹持器和力传感器的重量),仍然可以将接触力限制在200N N以下。实验证明,ABB机器人具有先进的力控制装置,可以胜任非常精确的装配工作,即使是一些重型零件的装配,因此它适用于各种工业部门的装配工作。
在汽车工业中,先进的力控制器的测试已经令人信服地证明,它有能力增加周期时间,并灵活地应用于不同的装配作业。以离合器装配为例,安装了IRB4400机器人的工作单元平均只需5.7s即可插入部件(如果采用人工装配,插入时间通常需要15 ~ 20s),初始接触时的反作用力小于100N,装配时小于80N。再比如F/N变矩器的装配,平均需要6.98s,接触力限制在200N n,值得注意的是,这个装配过程允许的定位误差只有2mm。ABB的S4Cplus机器人控制器得到了整个制造业的赞誉,因为它的可靠性使机器人能够展现出许多优越的性能。