把一個(gè)燈泡旋入燈座這樣簡(jiǎn)單的任務(wù)就可以說(shuō)明為什么傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人干不了這件事。要施加一個(gè)大小正好合適的力，在正好合適的時(shí)間把燈泡轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)正確的角度，這是人類憑直覺(jué)來(lái)做的工作，一個(gè)依靠編程的機(jī)器人怎么能干得了這樣的活呢？

與旋燈泡的工作類似，汽車動(dòng)力總成的裝配是一種傳統(tǒng)的手工作業(yè)，需要有熟練技巧和有經(jīng)驗(yàn)的工人來(lái)完成，因?yàn)殡x合器和液力變矩器等部件的齒輪和其他重要零件都必須在一個(gè)狹小的空間里以非常高的精確度進(jìn)行對(duì)中，這樣單調(diào)的多次重復(fù)動(dòng)作會(huì)使工人容易疲勞，并會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，工作效率無(wú)疑也會(huì)受到影響。如果機(jī)器人操作可以達(dá)到人工操作同樣水平，這將使自動(dòng)化在這個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景非常廣闊。

為了讓機(jī)器人能夠模仿人類在裝配線上的工作，機(jī)器人需要有對(duì)力的感覺(jué)能力和順從性。機(jī)器人必須有一種控制方法能夠?qū)α土剡M(jìn)行控制，并能夠?qū)佑|的信息作出反應(yīng)。ABB新型機(jī)器人的力控制技術(shù)可以做到這一點(diǎn)。

具有位控制功能的機(jī)器人所面臨的問(wèn)題

如果一個(gè)具有位控制功能的機(jī)器人試圖把兩個(gè)齒輪對(duì)準(zhǔn)，而它的控制程序?qū)X的位置卻沒(méi)有精確的信息，這時(shí)，機(jī)器人唯一的選擇只能是反復(fù)進(jìn)行試對(duì)中和找錯(cuò)，一直反復(fù)進(jìn)行，直到找對(duì)了齒的相對(duì)位置為止。機(jī)器人試圖把兩個(gè)齒輪裝配起來(lái)，如果沒(méi)對(duì)準(zhǔn)，就會(huì)使一個(gè)齒輪緊緊地壓住另一個(gè)齒輪，并產(chǎn)生很大的接觸力。為了便于安裝，即使我們把齒輪的齒進(jìn)行倒角處理，但對(duì)不準(zhǔn)仍然會(huì)產(chǎn)生很大的側(cè)向應(yīng)力，因?yàn)闄C(jī)器人總是盡量讓齒輪沿著預(yù)先制定的路線向被插入物的中心線移動(dòng)。不僅如此，這種做法有時(shí)甚至?xí)过X輪發(fā)生卡死現(xiàn)象，除非事先已采取了某些機(jī)械順從性措施。

RCC（遠(yuǎn)程中心順從性）裝置就是為解決這一問(wèn)題而開發(fā)的。安放一些抗剪彈性墊塊可以減小齒輪接觸時(shí)的接觸力，并能使裝配機(jī)器人補(bǔ)償因振動(dòng)或公差不合適而引起的定位誤差。當(dāng)順從性中心接近接觸點(diǎn)時(shí)，被插入的外凸形的零件因受到強(qiáng)大的接觸力而能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)凹形零件，而這個(gè)接觸力是由于沒(méi)對(duì)準(zhǔn)而產(chǎn)生的，所以，無(wú)論是零件還是工具，都不會(huì)受到損壞。

不幸的是，像RCC裝置這樣有用的設(shè)備卻不能廣泛應(yīng)用于汽車廠里的所有裝配作業(yè)上。這里有幾個(gè)原因：首先，裝配零件的幾何形狀很復(fù)雜而且差別很大，因而需要頻繁地從一個(gè)零件的專用裝置換成另一個(gè)零件的專用裝置；此外，由于這種裝置本身不能使零件彼此進(jìn)行定位并產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而裝配所需時(shí)間比較長(zhǎng)。所有這一切，使發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)都比較高。

機(jī)器人向人類學(xué)習(xí)

面對(duì)復(fù)雜零件的裝配問(wèn)題，人類的思維和行動(dòng)的敏捷性是驚人的，我們可以在適當(dāng)?shù)牡胤? 在零件發(fā)生卡死之前產(chǎn)生并施加一個(gè)插入力。人類能夠“本能地”學(xué)會(huì)最合理地使用順從性，感受到力和力矩以及零件邊緣和邊界的接觸情況，并能盡快獲得所希望的結(jié)果。人類區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是我們具有觸覺(jué)并能對(duì)它作出反應(yīng)。因此，如果要求機(jī)器人模仿人類的行為，他們也需要具有類似的觸覺(jué)能力和順從性，還要能夠用一種控制方法對(duì)力和力矩進(jìn)行控制，并對(duì)接觸的信息作出反應(yīng)。所有這些都需要對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人的定位控制技術(shù)及規(guī)范進(jìn)行一次徹底的變革。

ABB的解決方案

ABB一直都在不斷地研究和開發(fā)機(jī)器人應(yīng)用的新技術(shù)，有一部分研究活動(dòng)是與大學(xué)進(jìn)行合作的，其中一項(xiàng)是ABB的科學(xué)家和工程師同美國(guó)俄亥俄州的Case Western Reserve大學(xué)和瑞典的Lund大學(xué)的研究人員合作在ABB目前的S4Cp1us機(jī)器人控制器的基礎(chǔ)上共同開發(fā)一個(gè)新型的力量/位置混合平臺(tái)。與此同時(shí)，這個(gè)研究組還開始同福特汽車公司開展合作研究，以便了解更多的有關(guān)應(yīng)用方面的特殊要求和知識(shí)。目前，這個(gè)項(xiàng)目在以力控制為基礎(chǔ)的裝配應(yīng)用方面已經(jīng)形成了一個(gè)解決方案。

這項(xiàng)工作的最終成果是開發(fā)出一個(gè)總體解決方案，它能使ABB的機(jī)器人既具有“感覺(jué)”又堅(jiān)強(qiáng)有力，更為重要的是，獲得這種新的感覺(jué)功能不會(huì)使機(jī)器人現(xiàn)有的能力或功能受到影響，比如ABB機(jī)器人的能快速控制加速度的先進(jìn)性、通信能力強(qiáng)和可靠性高等卓越的功能特點(diǎn)全都被保留了下來(lái)。

這項(xiàng)技術(shù)最初是在IRB4400 和IRB6400機(jī)器人上進(jìn)行試驗(yàn)的，其有效負(fù)載范圍為30～200kg，用于裝配汽車動(dòng)力總成的不同零件。這些工作是比較復(fù)雜的，其中包括向前插入離合器的盤殼和F/N液力變矩器的裝配（見圖1）。所有試驗(yàn)都一致證明了這兩款機(jī)器人在循環(huán)時(shí)間、可接受的插入力、可靠性和便于編程等方面具有優(yōu)異的性能。

位和力的和諧控制

目前，機(jī)器人的快速運(yùn)動(dòng)已達(dá)到了人們可以接受的程度，但要保證接觸的穩(wěn)定性卻依然是一個(gè)問(wèn)題。雖然人們已經(jīng)對(duì)很多有前途的智能控制方法進(jìn)行過(guò)研究，但是, 采用慢慢地不斷施加力的方法來(lái)對(duì)位置進(jìn)行控制，其效果與性能大多數(shù)還是不太好。

阻抗和導(dǎo)納的概念也有助于理解機(jī)器人的力控制（力和速度的關(guān)系非常重要，阻抗被定義為力除以速度，而導(dǎo)納則是它的倒數(shù)。在力控制中，“導(dǎo)納”是作為在穩(wěn)定性和性能方面了解系統(tǒng)行為的一種方法）。沿著每個(gè)自由度，在兩個(gè)或更多的物理系統(tǒng)之間的瞬時(shí)能流通量（power flow）可以定義為兩個(gè)共軛變量〔作用力/力和流量/速度〕的乘積，但是, 這里有一個(gè)明顯的物理制約，那就是一個(gè)系統(tǒng)不能確定兩個(gè)變量。一個(gè)機(jī)械手可以沿著任何一個(gè)自由度對(duì)它的外界物體施加一個(gè)力或一個(gè)位移或速度，但不能兩者都兼顧到，因此，一個(gè)裝配機(jī)器人應(yīng)該有導(dǎo)納的特性，可以接受力（輸入）并產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)（輸出），這可以理解為：在裝配時(shí)一旦感覺(jué)到有接觸力，機(jī)器人就應(yīng)該按照控制的規(guī)則來(lái)改變其運(yùn)動(dòng)，接觸力不會(huì)繼續(xù)增加。

以可能實(shí)現(xiàn)的最大無(wú)源導(dǎo)納的概念為基礎(chǔ)，ABB的工程師已構(gòu)思出智能的控制方法，可以與現(xiàn)有先進(jìn)的位控制方法實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，并保證在大多數(shù)普通生產(chǎn)環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的、輕柔的接觸。這種設(shè)計(jì)還能保證在力控制方式和位控制方式兩者之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

編程容易

具有主動(dòng)的力控制功能的機(jī)器人雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，例如適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)不同用途可分別進(jìn)行編程等，但它還需要更先進(jìn)的控制系統(tǒng)和合適的編程來(lái)規(guī)定機(jī)器人應(yīng)該怎樣與外部的制約條件實(shí)現(xiàn)互動(dòng)?，F(xiàn)在，ABB已把研究工作的重點(diǎn)放在控制策略及其能力上，使機(jī)器人能夠在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而輕柔地接觸的同時(shí)，還能夠與外界物體實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。

引入力反饋的功能只能使工業(yè)機(jī)器人能夠?qū)ν饨缌ψ鞒龇磻?yīng)，但卻不能告訴機(jī)器人當(dāng)裝配零件時(shí)應(yīng)該怎樣運(yùn)動(dòng)，所以，力控制只能讓一個(gè)具有順從性的機(jī)器人盡量去避免大的接觸力，但沒(méi)有一種機(jī)制使它可根據(jù)零件的幾何形狀把幾個(gè)零件（例如齒輪）裝配起來(lái)。這時(shí)，裝配件之間的卡死雖然可以預(yù)防，但卻無(wú)助于讓這些零件對(duì)中。在不確定性較高的情況下進(jìn)行裝配并非不可，但由于有許多可能的接觸狀態(tài)在數(shù)學(xué)上仍不能對(duì)其進(jìn)行處理的情況，所以通過(guò)力的相互作用來(lái)修正機(jī)器人的位置的確是很困難的。

ABB的解決方案是通過(guò)引入吸引力的概念使用戶擺脫復(fù)雜編程的負(fù)擔(dān)。同以導(dǎo)納為基礎(chǔ)的快速力控制不僅保證了接觸是輕柔的，而且被裝配的零件能定位在準(zhǔn)確的對(duì)中位置上。所有的對(duì)中要求一旦得到滿足，機(jī)器人就可以開始對(duì)其專用零件進(jìn)行搜索并進(jìn)行裝配。一個(gè)典型的裝配程序可以簡(jiǎn)化如下：

● 設(shè)定吸引力；
● 設(shè)定搜索參數(shù)；
● 設(shè)定目的地；
● 移動(dòng)到開始點(diǎn)；
● 啟動(dòng)力控制；
● 如果接觸，啟動(dòng)搜索；結(jié)束如果；
● 如果達(dá)不到目的地，繼續(xù)搜索；結(jié)束如果；
● 撤消搜索；撤消力控制；返回。

力量加敏捷

很明顯，被裝配的零件越輕，施加一個(gè)較輕的接觸力就越容易，即使在手工裝配時(shí)也是這樣。當(dāng)裝配重的零件時(shí)，要使允許的接觸力小于零件的重量，并把零件移動(dòng)到設(shè)定的位置上就不那么容易了，因?yàn)檫@需要機(jī)械手抓住零件，克服重力，同時(shí)還要完成若干個(gè)裝配步驟，這種工作是錯(cuò)綜復(fù)雜而且很繁重的。

現(xiàn)在舉一個(gè)福特汽車裝配F/N液力變矩器殼體的例子。該殼體重量約25kg，殼體里面有一個(gè)雙花鍵的齒輪組，還要把一個(gè)齒輪泵插進(jìn)這個(gè)齒輪組里。齒輪泵的密封是很重要的，因此在插入時(shí)要非常小心, 無(wú)論如何都要確保不能損壞，同時(shí)在內(nèi)部還必須裝上一根花鍵軸，這使裝配工作變得更加復(fù)雜。

為完成這項(xiàng)任務(wù)，ABB的機(jī)器人解決方案最終選擇了IRB6400機(jī)器人，這種機(jī)器人的有效負(fù)載能力為150kg，它能在無(wú)需幫助的情況下支撐零件的重量，并且不會(huì)出現(xiàn)任何額外有的接觸力。試驗(yàn)表明，IRB6400機(jī)器人能處理的總重量為75kg（包括零件、抓手和力傳感器的重量），而且仍然能把接觸力限制在200N以下。

正如試驗(yàn)所證明的那樣，ABB機(jī)器人具有先進(jìn)的力控制裝置，能夠勝任非常精密的裝配工作，即使裝配一些重的零件也不成問(wèn)題，因此適合于各種工業(yè)部門進(jìn)行裝配工作。

性能優(yōu)越，工作可靠

在汽車工業(yè)中, 對(duì)先進(jìn)的力控制器所進(jìn)行的試驗(yàn)已令人信服地證明：它具有提高循環(huán)時(shí)間和在不同裝配作業(yè)中靈活應(yīng)用的能力。在離合器裝配的例子中，安裝了IRB4400機(jī)器人的工作單元把部件插入的時(shí)間平均只需要5.7s（如果用手工裝配，插入時(shí)間一般需要15～20s），最初接觸時(shí)的反作用力小于100N，在裝配時(shí)小于80N。另一個(gè)例子是F/N液力變矩器的裝配，平均需要時(shí)間6.98s，接觸力限制在200N。值得注意的是，該裝配過(guò)程允許的定位誤差僅為±2mm。

ABB的S4Cplus機(jī)器人控制器受到整個(gè)制造工業(yè)的稱贊，因?yàn)樗目煽啃允箼C(jī)器人能夠表現(xiàn)出很多優(yōu)越的性能。

有利于擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)

現(xiàn)在ABB又開發(fā)出一種可供選用的力控制器, 進(jìn)一步提高了其聲譽(yù)。

這次開發(fā)的技術(shù)本來(lái)主要是用于汽車工業(yè)裝配作業(yè)的，但這種先進(jìn)的力控制技術(shù)有可能使很多其他工業(yè)領(lǐng)域也能受益，尤其是對(duì)于要求“裝配完全正確，時(shí)間第一”的機(jī)械裝配工作中。