碰撞检测和安全保护在复杂多变的工业环境和人机合作场景中至关重要。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
六维力传感器可以同时感知三维空间中的三力(Fx、Fy、Fz)和三个力矩(Mx、My、Mz)。在正常工作状态下，机器人终端执行器的力和扭矩处于相对稳定的范围，根据机器人的工作任务提前设定。
例如，当机器人进行材料处理任务时，当它平稳地捕获和移动材料时，传感器感知的力主要是材料的重力和处理过程中的小摩擦，扭矩也在一个稳定的范围内。
阈值设置和信号触发
通过分析机器人的工作任务，可以为传感器设置合理的力和扭矩阈值。当机器人与其他物体碰撞时，力和扭矩会立即改变，超过设定的阈值。
以自动化生产线上的工业机器人为例，在正常工作时，传感器的力和扭矩值可能在 0 - 10N 和 0 - 5Nm 在范围内。如果将碰撞阈值设置为 50N 和 一旦传感器检测到超过这些阈值的力或力矩，30Nm将立即触发报警信号。
保护机器人本身
减少机械损坏
当发生碰撞时，六维力传感器可以快速检测到异常的力和扭矩。机器人的控制系统可以在接收到传感器发出的信号后迅速采取措施，例如在紧急情况下停止机器人的运动。
例如，在汽车制造车间，如果机器人在车身焊接过程中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时检测到力的突变。机器人控制系统根据传感器信号立即停止机械臂的运动，避免进一步损坏机械臂的关节、连杆等部件，降低维护成本和时间。
防止内部系统故障
除机械部件外，碰撞还可能损坏机器人的内部电气系统和控制系统。六维力传感器的快速响应可以防止冲击传递到敏感的电气元件和控制模块。
例如，在电子设备制造中，机器人用于芯片安装等精细操作。如果发生碰撞，传感器可以及时检测和停止机器人，防止电路板短路、电机过载等问题，保护机器人内部系统的安全。
三、确保人员安全
人机协作场景中的应用
在人机合作的工作环境中，人员与机器人密切接触。六维力传感器可以检测机器人与人体之间的接触。当力超过安全阈值时，机器人会立即停止运动或改变运动方式，以避免对人体造成伤害。
例如，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务人员或患者接触时不会施加太大的力。如果医务人员意外撞到机器人的手臂，传感器将迅速检测力的变化，使机器人停止行动，以确保患者和医务人员的安全。
安全标准和合规性
许多行业都有严格的安全标准，要求机器人采取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，机器人和工人在包装装配线上工作。六维力传感器的使用可以确保机器人在与工人密切接触时符合相关的安全法规，如 ISO 10218 - (工业机器人安全要求)和 ISO/TS 力限制在15066(协作机器人安全要求)等标准中的规定。
四、信号处理及后续响应
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。
例如，低通过滤波器可以去除高频噪声，以确保控制系统接收到准确的力和扭矩信号。同时，通过对信号的分析，可以区分正常的工作力变化或碰撞引起的异常力变化。
响应策略多样化
除紧急停止外，机器人还可以根据六维力传感器的信号采取其他响应策略。例如，在某些情况下，机器人可以调整运动速度，改变运动方向，或进入安全待机状态。
例如，在物流仓库中，如果机器人在搬运货物时发现轻微碰撞，可以降低搬运速度，重新规划路径，避免再次碰撞，继续完成任务，提高工作效率和安全性。