为什么机器人学不会装配技术

把一个灯泡旋入灯座这样简单的任务就可以说明为什么传统的工业机器人干不了这件事。要施加一个大小正好合适的力，在合适的时间把灯泡转动一个正确的角度，人类是通过直觉来做的，而一个编程的机器人是很难从事这样的工作。

传统汽车动力总成的装配是一项手工作业。因为离合器和液力变矩器等部件的齿轮和其他重要零件都必须在一个狭小的空间里以非常高的精确度进行，所以工人需要熟练技巧以及经验。而且这样的工作只能由人工完成。单调的多次重复动作容易使人疲劳，并降低产品质量和工作效率。如果由机器人进行操作可以达到人工操作同样水平,这将使自动化在这个领域中的应用前景变得非常诱人。

1、具有位控制功能的机器人所面临的问题如果一个具有位控制功能的机器人试图把两个齿轮对准，而它的控制程序对齿轮中齿的位置却没有精确的信息，这时机器人唯一的选择只能是反复进行试和找错，一直进行到找对了齿的相对位置为止。机器人试图把两个齿轮装配起来，如果没对准，就会使一个齿轮紧紧地压住另一个齿轮，产生了超过要求的接触力。为了便于安装，即使把齿轮的齿进行倒角处理，但对不准仍然会产生很大的侧向应力，由于机器人总是尽量让齿轮沿着预先制定的路线向另一个齿轮的中心线移动。不仅如此，如果没有事先采取某些措施这种做法有时甚至会使齿轮发生卡住现象。远程控制装置(RCC)就是为解决这问题而开发的。安放一些抗剪弹性垫块可以减小接触力，并能使装配机器人补偿因振动或公差不适当而引起的定位误差。当装置接近接触点时，被插入的(外凸形)的零件因受到强大的接触力而能自动对准凹形零件，而这个接触力是由于在侧面和转动没对准而产生的。这样，无论是零件还是工具就都不会受到损坏。但是，像RCC这样有用的设备却不能应用于汽车厂里的很多装配作业上。这里有几个原因。首先，装配零件的几何形状很复杂而且差别很大，因而需要频繁地从一个零件的专用装置换成另一个零件的专用装置。其次，由于这种装置本身不能使零件彼此进行定位和产生相对转动，装配所需时间比较长。这些原因导致发生故障的风险较高。

2、机器人的定位和力量控制的问题如果要让机器人成功地模仿人类在装配线上的工作，机器人需要有对力的感觉能力和顺从性。机器人必须要有一种控制方法能够对力和力矩进行控制，并能够对接触的信息作出反应。有关机器人力控制的研究很多，但其效果通常都不太理想。虽然机器人的快速运动已达到了可以接受的程度，但要保证接触的稳定性却仍然是一个问题。通过对多种有发展前途的智能控制方法进行研究，我们认为釆用慢慢地不断施加力量的方法来对位置进行控制，其效果在大多数情况下并不好。阻抗和导纳'的概念也有助于理解机器人的力控制。沿着每个自由度，在两个或更多的物理系统之间的瞬时能流通量（powerflow）可以定义为两个共辄变量（作用力（力）和流量（速度））的乘积。但是，这里有一个明显却又重要的物理制约，这就是一个系统不能确定两个变量。一个机械手可以沿着任何一个自由度对它的外界物体施加一个力、一个位移或一个速度，但不能两者兼顾。因此，一个装配机器人应该有导纳的特性，可以接受力（输入）和产生运动（输出）。这可以理解为，在装配时一旦感觉到有接触力，机器人就应该按照控制的规则来改变其运动，使得接触力不会继续增加。具有主动的力控制功能的机器人虽然有优点，例如具有适应性强和对不同用途可进行编程等，但它还需要更先进的控制系统和合适的编程来规定机器人应该怎样与外部的制约条件实现互动。迄今的研究工作已把重点放在控制策略及其能力上，使机器人能够在实现稳定而轻柔的接触的同时，还能够与外界物体实现互动。但现在，既没有高级的编程语言，也没有一种适合的编程方法来开拓对力的控制能力。引入力反馈的功能只能使工业机器人能够对外界力作出反应，但却不能告诉机器人当装配零件时应该怎样运动。所以，力控制只能让一个具有顺从性的机器人尽量去避免大的接触力，但它没有一种机制可根据零件的几何形状而把几个零件（例如齿轮）装配起来。这时，装配件之间的卡死虽然可以防止，但却无助于让这些零件对中。如果在不确定性较高的情况下装配并非不能进行，加之还有许多可能的接触状态在数学上仍不能对其进行处理的情况下，不妨假定欲通过力的相互作用来修正机器人的位置确是很困难的。面对复杂零件的装配问题，人类的思维和行动的敏捷性是惊人的，我们可以在适当的地方，在零件发生卡住之前产生并施加一个插入力。作为人类的装配工人“本能地”学会最合理使用顺从性，感受到力和力矩，以及感受到零件边缘和边界上的接触情况，并能尽快获得所希望的结果。人类区别于工业机器人的一个明显的特点就是我们具有触觉并能对它作出反应。因此，要求机器人模仿人类的行为，他们也需要具有类似的触觉能力和顺从性，以及釆用一种控制方法能够对力和力矩进行控制，并对接触的信息作出反应。所有这些都需要对传统机器人的定位控制规范进行一次变革。

ABB作为世界最大的机器人产品供应商，正在不断地研究和开发机器人应用的新技术。有一部分研究活动是与大学进行合作的，其中一项是ABB的科学家和工程师同美国俄亥俄州的CaseWesternReserve大学和瑞典的Lund大学的研究人员进行合作的，在ABB目前的S4Cplus机器人控制器的基础上共同开发一个新型的力量/位置混合平台。与此同时，这个研究组还开始同福特汽车公司开展合作研究，以便了解更多的有关应用方面的持殊要求和知识。这个项目在以力量控制为基础的装配应用方面已经形成一个总体解决方案。这项工作的成果是开发出一个解决方案，它能使ABB的机器人既具有“感觉”又坚强有力。更为重要的是，获得这种新的感觉功能并没有使机器人现有的能力或功能受到影响。ABB机器人的卓越功能特点——能快速控制加速度的先进控制，通信能力强和可靠性高等一全都保留下来了。ABB的解决方案是通过引入吸引力的概念使用户摆脱复杂编程的负担。同以导纳为基础的快速力控制相结合，不仅保证了接触是轻柔的，而且被装配的零件能定位在准确的对中位置上。所有的对中要求一旦得到满足，机器人就可以开始对其专用零件进行搜索并进行装配。一个典型的装配程序可以简化如下：设定吸引力  设定搜索参数  设定目的地  移动到开始点  启动力控制如果接触  启动搜索如果达不到目的地  继续搜索  撤消搜索  撤消力控制  返回很明显，当被装配的零件越轻，则施加一个较轻的接触力就越容易，即使在手工装配时也是这样。当装配重的零件时，要使允许的接触力小于零件的重量，并把零件移动到设定的位置上就不那么容易了。因为这需要机械手抓住零件，克服重力，同时还要完成若干个装配步骤。这种工作可能是错综复杂而且很繁重的。试验最初是在IRB4400和IRB6400机器人上进行的，其有效负载范围从30到200公斤，用于装配汽车动力总成的不同零件。这些工作是比较复杂的，其中包括向前插入离合器的盘壳和F/N液力变矩器的装配（见图）。试验都一致证明了在循环时间、可接受的插入力、可靠性和便于编程等方面具有优异的性能。现在举一个例子，是装配福特汽车的F/N液力变矩器的壳体，其重量约25公斤。壳体里面有一个双花键的齿轮组，还要把一个泵齿轮插进这个齿轮组里。泵齿轮的密封是很重要的，因此，在插入时要非常小心，无论如何都要确保不能损坏。同时在内部还必须装上一根花键轴，这使装配工作变得更加复杂。为完成这项任务，ABB的机器人解决方案首先从选择机器人开始，即选择了IRB6400机器人。这个选择是基于这种机器人的有效负载能力为150公斤，它能在无需要帮助的情况下支持住零件的重量，并且不会出现任何不希望有的接触力。试验表明，IRB6400机器人能处理的总重量为75公斤（包括零件、抓手和力传感器的重量），而且仍然能把接触力限制在200N以下。正如试验所证明的那样，ABB机器人具有先进的力控制装置，能够做非常精密的装配工作，即使装配一些重的零件也不成问题。手臂的运动像“羽毛一样轻"，但却是强有力的，适合于各种工业部门进行装配工作。

在汽车工业中，对先进的力控制器所进行的试验己令人信服地证明，它具有提高循环时间和在不同装配作业中灵活应用的能力。有一个关于前进离合器装配的例子，安装了IRB4400机器人的工作单元把部件插入的时间平均需要5.7秒，最初接触时的反作用力小于100N,在装配时小于80N,（如果用手工装配，插入时间一般需要15至20秒）。另一个例子是F/N液力变矩器的装配，平均需要时间6.98秒，接触力限制在200No值得注意的是，除了零件本身重量约为25公斤之外，允许的定位误差仅为土2mm。ABB的S4Cplus机器人的控制器受到整个制造工业的称赞，因为它是目前市场上非常可靠的产品。现在ABB又开发出一种可供选用的力控制器，又进一步提高了其声誉。这次开发的技术本来主要是用于汽车工业装配作业的，但这种先进的力控制技术有可能使很多其他工业领域也能受益。预期很快就会被市场所接受，尤其是对于要求“装配完全正确，时间第一”的机械装配工作中，过去一直存在着"人手”不足的地方。通过给市场带来了这一项创新技术这件事，再次提升了ABB在工业机器人技术领域上的市场领导地位。

ABB的机器人已在世界各地安装了许多台。这些机器人正在小心地为Lindt和Nestle公司拾取巧克力糖果，为Novartis和Bayer公司包装药片，为美国邮局分拣信件。这些机器人还可搬运沉重的机器设备，为福特和DaimlerChrysler等汽车公司进行焊接、切割和抛丸清理零件。未来的机器人应用可以在“粗接触”和“软接触”中有更大的选择余地。目前面临的挑战是要把高级的“智力”（传感器、信号、执行器和软件）添加到机器人的肌肉（执行器）和骨架（结构）上。ABB正在与世界知名大学，例如：斯坦福大学、凯思西部保留地大学、麻省理工学院，卡内基•梅隆大学等进行合作，以求提高机器人的灵巧性和工作的可重复性，使生产厂家能在产量、工作效率和利润方面都有所提高，即使对于以前曾认为由于过于精密而机器人无法做到的这类工作也能做到了。下面是最最近的-些革新成果：力控制的ABB新型机器人，用于汽车动力总成的装配工作。它采用的软件和传感器可以让机器人去软接触它要装配的精密零部件，例如齿轮箱等。TeachSaver软件，在市场上的商品名称为RobotStudi。，它可以让技术人员对机器人进行离线编程而不需中断生产，或者浪费宝贵的时间。用于汽车制造电弧焊作业的VirtualArc软件可以让焊接工程师对机器人进行全部离线控制，并可以从单台的PC或笔记本电脑进行操作。它预示着这项技术将会产生广泛的效果，包括焊接的形状和质量,以及可能会产生的焊接缺陷，因而使生产变得更快更经济。

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