機械手臂力量控制基礎

本文內容是機械手臂力量控制的各種方法介紹與比較,是翻譯摘要刊登在PushCorp, Inc.上的技術文章,並加上我們的見解。原作者是PushCorp的總經理Edwin A. Erlbacher, Ph.D.。原文下載連結在此
 
在機械手臂研磨拋光的應用中,因為要控制切削力或是吸收位置誤差,常需要使用力量控制,是非常重要的基本知識,希望這一篇文章能對您有幫助。因為本文是摘要,沒有將所有知識背景都解釋清楚,若不太懂可以交互參照原文與圖片,本文不再另外說明與截圖。如您有任何意見,也歡迎來信與我們討論。

 

【本文開始】

機械手臂力量控制分為兩種:透過手臂力量控制(Through-the-arm force control)及手臂周邊力量控制(Around-the-arm force control)。

Through-the-arm force Control

Through-the-arm是一種優雅且直覺的方式,用力感測器感測力量,並以手臂的動作直接控制力量。但他的困難處在於——手臂接觸到物體後,需要靠移動位置來調節接觸的力量,這會與原本的移動路徑控制互相影響。
 
手臂本身是具有中等剛性的系統(此處是指整個結構加機構與馬達的系統剛性),並不很軟。手臂與物體透過加工工具接觸時,如果預設的路徑與物體外型沒有精準的相合(精度在um等級或更小,物體的公差通常會大於此),則系統剛性不夠低的結果——要不是把工件挖出一個坑,就是讓手臂過負載。
 
這是因為Through-the-arm力量控制迴路在物理上的響應太慢、頻寬太低,來不及對力量的脈衝做出反應(F=ma,如果手臂的加速度要應對接觸力的脈衝而急遽改變,則手臂需要無限大的力量)。
 
因此Through-the-arm最好搭配較軟的研磨介質或支撐材,以慢速移動在相對較平緩的工件以避免對位置誤差太過敏感,或著可嘗試在控制力量時固定123軸不動,加快系統的反應。
 
Through-the-arm的其他優點還有容易抵抗較差的環境(元件IP等級高)。

 

Around-the-arm force control

Around-the-arm是把位置控制與力量控制解離成兩個獨自運作的系統,手臂負責位置與動作、姿態,力量控制系統負責維持力量與吸收位置誤差。力量控制系統至少需要一個或更多移動軸,因此也稱之為浮動機構或位置順應性機構,移動行程通常在25mm或5度以內就足夠了。力量控制元件可以裝在手臂之外的固定端,也可以裝在手臂前端當作工具。
 
Around-the-arm力量控制的系統構成有很多種,例如
1.    彈簧:簡單而便宜,但行程的變化量不高且出力不精準;
2.    液壓:擁有高「出力/重量比」但剛性太高、順應性低;
3.    伺服馬達:與through-the-arm完全一樣的問題;
4.    電磁力直驅(如音圈馬達):擁有零摩擦力與高位置順應性的優點,但「出力/重量比」很低,且磁滯效應也不利於應用。
5.    氣壓:目前商業應用最成功的方式,具有高「出力/重量比」、氣體可壓縮性提供高位置順應性、低成本等優點。
 
幾乎所有應用方式都是將力量控制系統與研磨工具做結合,無論是以機械手臂拿取研磨工具或將研磨工具安裝在手臂外的固定端,而工件都是穩固挾持,沒有位置順應性的那一端。
 
Around-the-arm力量控制可分為被動式及主動式,被動式是開迴路控制,例如彈簧系統或沒有力量感測的氣壓系統,只能在工作前設定出力大小,欠缺工作中即時調整出力的彈性;主動式有力量感測元件回饋實際出力大小,是閉迴路控制,因此可以在工作中即時調整出力,消除重力、摩擦力等影響,力量控制較精準。主動式力量控制應用在自動化的表面加工,發展於1990年代的德州大學阿靈頓分校,在1995年得到美國專利(No.5,448,146)。
 

 

重力的補償

重力會對力量控制產生很大的影響,必須要補償。Through-the-arm的重力補償是靠力量感測器在標準姿態下做校正,當手臂姿態變化,依照其空間座標即時運算出重力的補償值,手臂出力也同時變化。
 
Around-the-arm的重力補償有兩種方式,當浮動機構與研磨工具裝在地上時,因為在空間中的姿態不變,所以重力方向不變,補償也很簡單,只需要設定一次補償值即可,有時僅需要被動式力量控制即可滿足。
 
當浮動機構裝在手臂上時,與through-the-arm一樣,隨手臂的姿態變化,重力對浮動工具的影響也一直在變化,因此一定需要主動式力量控制。
 
下面以商業化氣壓主動式力量控制系統為例說明:系統中具有一個氣缸做為致動器,一個串聯的Load Cell為力量迴授裝置,氣缸的兩個進氣口各有一個電子訊號控制的節流閥,依閉迴路訊號調整兩端節流閥開度可以達到很精準的出力控制。此外,還有一個單軸加速規量測與出力軸同軸向的重力與加速度分量,可以用來補償工具重量以及加速度的影響。重力的影響前面已經說明過,而當手臂移動在曲率半徑小的曲線上,而且力量控制元件的出力軸在曲線的法線方向時,離心力會對工具重量產生影響,加速規可以量測重力與離心力的綜合大小,給予力量控制迴路補償。

力量控制方式比較