艾利特CSF力控协作机器人划开下一代协作机器人新赛道

在实际应用中，力控协作机器人“关节配置力矩传感器”技术路线的最大优势体现在机械臂的安全性上，由于力矩传感器被安装在各个关节上，当本体的大臂、小臂或肘部，碰到人或其它外物时均能灵敏感知到。反之，如果机械臂没有加力矩传感器，就需要采用关节电流等技术手段来实现碰撞检测，其精度比加力矩传感器的方案低一个数量级以上。因此，在本体的碰撞检测能力上，关节配置力矩传感器的方案优势明显。

但是，关节配置力矩传感器后，其结构复杂、体积重量大，严重影响整机的负载和速度性能，且机械臂的核心零部件如谐波减速器需要在结构上进行较大改动，因而造成高昂的成本，大大制约了这类力控协作机器人的普及。

对于“工具端集成六维力传感器”这一技术路线而言，事实上，传统工业机器人在很早之前就已在工具端通过外置的方式集成六维力传感器，即在工具法兰输出位置增加一个力传感器，再通过力传感器来连接末端工具，从而实现各种力控相关功能。该路线可以实现力控精度与整机的负载、速度、体积的平衡。

但独立的六维力/力矩传感器一定程度上占用了工具端宝贵的空间、重量、I/O接口资源，且独立的六维力/力矩传感器当下价格高昂，至今普及度仍待提升。

因此，具有前瞻性眼光和布局的协作机器人企业开始尝试在机器人工具端内部配置自主研发的六维力/力矩传感器，旨在解决上述掣肘。艾利特CSF系列力控协作机器人作为“新物种”应运而生，发布即量产，已进入市场导入阶段。

前瞻布局下的抉择

2年前，艾利特即判断，随着协作机器人的发展推广，以及竞争的白热化，必然对产品功能的丰富性提出更高要求，进而倒逼产品的持续迭代，“力控”也将成为未来协作机器人企业竞争的新焦点。

具体来看，在工具端集成六维力/力传感器有四大优点，而这也是艾利特选择这一技术路线的关键原因：

第一，距离工具更近、工艺精度更高。力/力矩量程与机器人负载范围接近，不需要考虑机器人本体自重，进而实现在相同成本的代价下，精度更高。

第二，不受机器人奇异点影响。从设计原理上来看，机器人在运动过程中总会遇到奇异点，而在工具端直接带力传感器则不涉及力的正逆解问题，力检测性能与机器人姿态无关。

第三，体积小、重量轻。在工具端内置力传感器并实现高集成度后，与非力控机型相比几乎不增加体积和重量。

第四，与非力控机型共用绝大多数部件。艾利特力控协作机器人与非力控机型的部件中，只有工具法兰这一模块不同，因而排产、维修工作量小，规模化成本低。

事实上，艾利特协作机器人产品可同时支持外部适配六维力传感器。那么艾利特自研六维力传感器的初衷又是什么？艾利特在接受高工机器人调研时表示，有以下四个方面：

一是，协作机器人对于重量、负载非常敏感，外置的六维力传感器对于协作机器人重量的增加较为明显，当前市面上的六维力传感器的重量普遍在至少在200g-300g，协作机器人的负载越小，这一重量占比就会越大。

二是，协作机器人对于体积同样敏感，协作机器人的设计初衷就是希望工具端尽量小而轻便，而一个六维力传感器，加上前壳、后壳的厚度约为20mm-30mm，由此“吃掉”协作机器人工具端很多体积，总体来看并不划算。

三是，基于安全性的考虑，协作机器人往往采用内部走线的形式，而外置六维力传感器和机械臂要实现通讯，要通过一个工具I/O接口来把信息传输给机械臂与机器人控制系统，或是通过单独的线缆传给控制器，也就是线缆是围绕着机器手臂的。第一种方式会占用工具I/O比较宝贵的通讯接口，虽然也有其它技术或工程手段来解决，但对于终端用户来说，使用繁琐；第二种方式则需要外部走线，因而本末倒置了。

四是，与成本有关。艾利特自研六维力传感器的电路与结构与工具I/O完全融合，整体成本比外置六维力传感器有优势。

基于这些考量而研制成功的艾利特CSF系列力控协作机器人，在CS标准型安全易用的基础上更进一步。与CS66相比，CS66F能够提供150N、10Nm的力/力矩量程，综合准度2%，精度0.5%。

具体来看，CSF力传感器模块具有5个特点：

1、机械电子融合度高。机械结构、信号处理电路与工具I/O的机械结构、电路完全融合，集成IMU，通过IMU获得加速度进一步提高动态精度。

2、工具端机械和I/O接口兼容性高。与非力控机型只工具法兰厚度不同，机械和I/O接口完全相同。

3、体积重量更小。与CS66相比，CS66F工具端重量仅增加80克、厚度仅增加12mm。

4、针对协作机器人模块化特点优化量程。以对应关节模块扭矩为量程设定依据，适应未来扩展机型。

5、针对协作碰撞频繁的工作特点优化过载能力。在机械臂与周边设备碰撞的瞬间，往往会对力传感器产生一个很大的力量，使得力传感器处于过载状态，CS66F过载能力超过400%，从而保证自身在碰撞中不受损坏。

CS66F是艾利特CSF力控协作机器人的第一款机型，今年CS63F、CS612/616F、CS620/625F将也陆续推出，CSF家族将不断完善和壮大。

拓展力控应用边界

如今，艾利特CSF系列力控协作机器人正不断被用于传统应用的优化及新领域的探索。

艾利特CSF系列力控协作机器人具有力传感器自动标定功能，即在安装工具后通过标定确保力检测和力控精度；负载质量质心辨识的功能，使得CSF系列不需要用户输入负载质量质心，简化示教工作、降低整机使用难度。

在轻松拖拽方面，仅需要1N外力即可拖拽CSF系列机器人，结合拖拽速度设置可实现mm级或更高精度的拖拽；各坐标系上均可锁轴拖拽，各自由度可单独或组合锁定。在没有锁轴模式时，用户希望机器人在某个方向上进行微小的运动是非常难的，因为力的感应难免有偏差，会在运动过程中触发了其它方向、自由度的运动，而实际中其它方向、自由度的运动在位姿方面均已调试好，因而为了某“一点”，而毁掉其它调试工作，示教效率大大降低，锁轴拖拽则可以完美解决这一问题。

相比传统的关节电流检测方式，艾利特CSF系列力控协作机器人的碰撞检测灵敏度提高1个数量级以上，安全性大大提高；手动示教时工件与设备接触的感应更灵敏，可有效保护工件与设备。

艾利特CSF系列力控协作机器人还具备实时负载检测的功能，根据负载重量可判断抓取是否成功，或直接用于工件重量检测。

CSF系列通过力控坐标系与运动坐标系多种组合形式，形成了多种模式，可应用于丰富的场景中：

1、固定模式：力控坐标系为笛卡尔空间中的任意固定坐标系，此模式下的力控方向是固定的，可用于打磨、装配等力控场景。2、TCP模式：力控坐标系与机器人TCP坐标系重合，此模式下的力控方向随着机器人的运动而不断变化，可用于理疗、装配、打磨等场景。3、运动模式：力控坐标系的X轴始终与运动方向在X-Y平面上的投影重合，此模式下的力控方向随着机器人的运动而不断变化，可用于不规则曲面打磨、去毛刺、恒力跟踪等场景。4、点模式：力控坐标系的Y轴始终与TCP到力控坐标系原点的连线重合，此模式下的力控方向也随着机器人运动而不断变化，可用于球状物体方式打磨等场景。

在上述几种力控模式中，其力控坐标系上的每个自由度均可选择不同的控制方式：

1、运动控制：执行预先规划的运动。2、力跟踪控制：跟踪并维持设置的目标力/力矩。3、浮动控制：机器人受到外力会柔顺运动，外力撤销后机器人保持位置不变。4、弹簧控制：机器人受到外力会柔顺运动，外力撤销后机器人会回到初始位置。5、浮动+运动控制：没有外力时，机器人执行预先规划的运动；有外力时，则为外力产生的浮动运动叠加预先规划的运动。6、弹簧+运动控制：没有外力时，机器人执行预先规划的运动；有外力时，则为外力产生的弹簧运动叠加预先规划的运动。

除此之外，艾利特CSF系列力控协作机器人的力控参数可实时更改、多种力控模式可实时组合及切换，进而可完成复杂的装配、环境交互任务。

在实际中，力控协作机器人不仅可以对机床上下料、3C装配、金属加工的抛光打磨等传统应用实现优化，还可以探索更多新领域，如提高机器人在非介入式医疗领域应用中的安全性和灵敏度，提高复合机器人精度等。

今年1月，工信部等17部门印发“机器人+”应用行动实施方案，未来机器人的应用场景将不局限于工业生产、消费零售等，而是渗透进国民经济当中，力控协作机器人将大有可为。