在复杂多变的工业环境以及人机协作场景中，碰撞检测与安全防护是至关重要的。六维力传感器通过其独特的功能，在这方面发挥着不可替代的作用。
一、碰撞检测原理
- 力和力矩感知
- 六维力传感器能够同时感知三维空间中的三个力（Fx、Fy、Fz）和三个力矩（Mx、My、Mz）。在正常工作状态下，机器人末端执行器所受的力和力矩处于一个相对稳定的范围，这个范围是根据机器人的工作任务预先设定的。
- 例如，在机器人进行物料搬运任务时，当它平稳地抓取和移动物料时，传感器所感知的力主要是物料的重力和搬运过程中的微小摩擦力，力矩也在一个稳定的区间内。
- 阈值设定与信号触发
- 通过对机器人工作任务的分析，可以为传感器设置合理的力和力矩阈值。当机器人与其他物体发生碰撞时，力和力矩会瞬间发生变化，超过设定的阈值。
- 以工业机器人在自动化生产线上为例，在正常工作时，传感器所受的力和力矩数值可能在 0 - 10N 和 0 - 5Nm 的范围内。如果设置碰撞阈值为 50N 和 30Nm，一旦传感器检测到超过这些阈值的力或力矩，就会立即触发报警信号。
二、保护机器人自身
- 减少机械损伤
- 当碰撞发生时，六维力传感器能够快速检测到异常的力和力矩。机器人的控制系统接收到传感器发出的信号后，可以迅速采取措施，如紧急停止机器人的运动。
- 例如，在汽车制造车间，机器人在车身焊接过程中如果与周围的夹具或其他设备发生碰撞，六维力传感器会在碰撞的瞬间检测到力的突变。机器人控制系统根据传感器信号，立即停止机械臂的运动，避免机械臂的关节、连杆等部件受到进一步的损坏，减少维修成本和维修时间。
- 防止内部系统故障
- 除了机械部件，碰撞还可能对机器人的内部电气系统和控制系统造成损害。六维力传感器的快速响应可以防止因碰撞产生的冲击力传递到敏感的电气元件和控制模块上。
- 例如，在电子设备制造中，机器人用于芯片贴装等精细操作。如果发生碰撞，传感器及时检测并停止机器人，可防止因碰撞导致的电路板短路、电机过载等问题，保护机器人的内部系统安全。
三、保障人员安全
- 人机协作场景中的应用
- 在人机协作的工作环境中，人员与机器人密切接触。六维力传感器能够检测机器人与人体之间的接触力。当这个力超过安全阈值时，机器人会立即停止运动或者改变运动方式，以避免对人体造成伤害。
- 比如，在医疗手术机器人的应用中，传感器可以确保机器人在手术过程中与医护人员或患者接触时，不会施加过大的力。如果医护人员不小心碰撞到机器人手臂，传感器会迅速检测到力的变化，使机器人停止动作，保障患者和医护人员的安全。
- 安全标准与合规性
- 许多行业都有严格的安全标准，要求机器人必须具备有效的碰撞检测和安全防护措施。六维力传感器的使用有助于机器人系统满足这些安全标准。
- 例如，在食品加工行业，机器人与工人在包装流水线上协同工作。使用六维力传感器可以确保机器人在与工人近距离接触时符合相关的安全法规，如 ISO 10218 - 1（工业机器人安全要求）和 ISO/TS 15066（协作机器人安全要求）等标准中关于力限制的规定。
四、信号处理与后续响应
- 信号滤波与分析
- 六维力传感器输出的信号可能会受到环境噪声等因素的干扰。因此，在传感器信号传输到控制系统之前，需要进行信号滤波和分析处理。
- 例如，可以采用低通滤波器去除高频噪声，确保控制系统接收到的是准确的力和力矩信号。同时，通过对信号的分析，可以区分是正常的工作力变化还是碰撞引起的异常力变化。
- 多样化的响应策略
- 除了紧急停止，机器人根据六维力传感器的信号还可以采取其他响应策略。例如，在一些情况下，可以调整机器人的运动速度、改变运动方向，或者进入一个安全的待机状态。
- 比如，在物流仓库中，机器人在搬运货物时，如果检测到轻微碰撞，它可以降低搬运速度并重新规划路径，避免再次碰撞，同时继续完成任务，提高工作效率和安全性。