把一個(ge) 燈泡旋入燈座這樣簡單的任務就可以說明為(wei) 什麽(me) 傳(chuan) 統的工業(ye) 機器人幹不了這件事。要施加一個(ge) 大小正好合適的力，在正好合適的時間把燈泡轉動一個(ge) 正確的角度，這是人類憑直覺來做的工作，一個(ge) 依靠編程的機器人怎麽(me) 能幹得了這樣的活呢？

與(yu) 旋燈泡的工作類似，汽車動力總成的裝配是一種傳(chuan) 統的手工作業(ye) ，需要有熟練技巧和有經驗的工人來完成，因為(wei) 離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(ge) 狹小的空間裏以非常高的精確度進行對中，這樣單調的多次重複動作會(hui) 使工人容易疲勞，並會(hui) 降低產(chan) 品質量，工作效率無疑也會(hui) 受到影響。如果機器人操作可以達到人工操作同樣水平，這將使自動化在這個(ge) 領域中的應用前景非常廣闊。

為(wei) 了讓機器人能夠模仿人類在裝配線上的工作，機器人需要有對力的感覺能力和順從(cong) 性。機器人必須有一種控製方法能夠對力和力矩進行控製，並能夠對接觸的信息作出反應。ABB新型機器人的力控製技術可以做到這一點。

具有位控製功能的機器人所麵臨(lin) 的問題

如果一個(ge) 具有位控製功能的機器人試圖把兩(liang) 個(ge) 齒輪對準，而它的控製程序對齒的位置卻沒有精確的信息，這時，機器人唯一的選擇隻能是反複進行試對中和找錯，一直反複進行，直到找對了齒的相對位置為(wei) 止。機器人試圖把兩(liang) 個(ge) 齒輪裝配起來，如果沒對準，就會(hui) 使一個(ge) 齒輪緊緊地壓住另一個(ge) 齒輪，並產(chan) 生很大的接觸力。為(wei) 了便於(yu) 安裝，即使我們(men) 把齒輪的齒進行倒角處理，但對不準仍然會(hui) 產(chan) 生很大的側(ce) 向應力，因為(wei) 機器人總是盡量讓齒輪沿著預先製定的路線向被插入物的中心線移動。不僅(jin) 如此，這種做法有時甚至會(hui) 使齒輪發生卡死現象，除非事先已采取了某些機械順從(cong) 性措施。

RCC（遠程中心順從(cong) 性）裝置就是為(wei) 解決(jue) 這一問題而開發的。安放一些抗剪彈性墊塊可以減小齒輪接觸時的接觸力，並能使裝配機器人補償(chang) 因振動或公差不合適而引起的定位誤差。當順從(cong) 性中心接近接觸點時，被插入的外凸形的零件因受到強大的接觸力而能自動對準凹形零件，而這個(ge) 接觸力是由於(yu) 沒對準而產(chan) 生的，所以，無論是零件還是工具，都不會(hui) 受到損壞。

不幸的是，像RCC裝置這樣有用的設備卻不能廣泛應用於(yu) 汽車廠裏的所有裝配作業(ye) 上。這裏有幾個(ge) 原因：首先，裝配零件的幾何形狀很複雜而且差別很大，因而需要頻繁地從(cong) 一個(ge) 零件的專(zhuan) 用裝置換成另一個(ge) 零件的專(zhuan) 用裝置；此外，由於(yu) 這種裝置本身不能使零件彼此進行定位並產(chan) 生相對轉動，因而裝配所需時間比較長。所有這一切，使發生故障的風險都比較高。

機器人向人類學習(xi)

麵對複雜零件的裝配問題，人類的思維和行動的敏捷性是驚人的，我們(men) 可以在適當的地方, 在零件發生卡死之前產(chan) 生並施加一個(ge) 插入力。人類能夠“本能地”學會(hui) 最合理地使用順從(cong) 性，感受到力和力矩以及零件邊緣和邊界的接觸情況，並能盡快獲得所希望的結果。人類區別於(yu) 工業(ye) 機器人的一個(ge) 明顯的特點就是我們(men) 具有觸覺並能對它作出反應。因此，如果要求機器人模仿人類的行為(wei) ，他們(men) 也需要具有類似的觸覺能力和順從(cong) 性，還要能夠用一種控製方法對力和力矩進行控製，並對接觸的信息作出反應。所有這些都需要對傳(chuan) 統機器人的定位控製技術及規範進行一次徹底的變革。

ABB的解決(jue) 方案

ABB一直都在不斷地研究和開發機器人應用的新技術，有一部分研究活動是與(yu) 大學進行合作的，其中一項是ABB的科學家和工程師同美國俄亥俄州的Case Western Reserve大學和瑞典的Lund大學的研究人員合作在ABB目前的S4Cp1us機器人控製器的基礎上共同開發一個(ge) 新型的力量/位置混合平台。與(yu) 此同時，這個(ge) 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(guan) 應用方麵的特殊要求和知識。目前，這個(ge) 項目在以力控製為(wei) 基礎的裝配應用方麵已經形成了一個(ge) 解決(jue) 方案。

這項工作的最終成果是開發出一個(ge) 總體(ti) 解決(jue) 方案，它能使ABB的機器人既具有“感覺”又堅強有力，更為(wei) 重要的是，獲得這種新的感覺功能不會(hui) 使機器人現有的能力或功能受到影響，比如ABB機器人的能快速控製加速度的先進性、通信能力強和可靠性高等卓越的功能特點全都被保留了下來。

這項技術最初是在IRB4400 和IRB6400機器人上進行試驗的，其有效負載範圍為(wei) 30～200kg，用於(yu) 裝配汽車動力總成的不同零件。這些工作是比較複雜的，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）。所有試驗都一致證明了這兩(liang) 款機器人在循環時間、可接受的插入力、可靠性和便於(yu) 編程等方麵具有優(you) 異的性能。

位和力的和諧控製

目前，機器人的快速運動已達到了人們(men) 可以接受的程度，但要保證接觸的穩定性卻依然是一個(ge) 問題。雖然人們(men) 已經對很多有前途的智能控製方法進行過研究，但是, 采用慢慢地不斷施加力的方法來對位置進行控製，其效果與(yu) 性能大多數還是不太好。

阻抗和導納的概念也有助於(yu) 理解機器人的力控製（力和速度的關(guan) 係非常重要，阻抗被定義(yi) 為(wei) 力除以速度，而導納則是它的倒數。在力控製中，“導納”是作為(wei) 在穩定性和性能方麵了解係統行為(wei) 的一種方法）。沿著每個(ge) 自由度，在兩(liang) 個(ge) 或更多的物理係統之間的瞬時能流通量（power flow）可以定義(yi) 為(wei) 兩(liang) 個(ge) 共軛變量〔作用力/力和流量/速度〕的乘積，但是, 這裏有一個(ge) 明顯的物理製約，那就是一個(ge) 係統不能確定兩(liang) 個(ge) 變量。一個(ge) 機械手可以沿著任何一個(ge) 自由度對它的外界物體(ti) 施加一個(ge) 力或一個(ge) 位移或速度，但不能兩(liang) 者都兼顧到，因此，一個(ge) 裝配機器人應該有導納的特性，可以接受力（輸入）並產(chan) 生運動（輸出），這可以理解為(wei) ：在裝配時一旦感覺到有接觸力，機器人就應該按照控製的規則來改變其運動，接觸力不會(hui) 繼續增加。

以可能實現的最大無源導納的概念為(wei) 基礎，ABB的工程師已構思出智能的控製方法，可以與(yu) 現有先進的位控製方法實現無縫集成，並保證在大多數普通生產(chan) 環境下能夠實現穩定的、輕柔的接觸。這種設計還能保證在力控製方式和位控製方式兩(liang) 者之間的平穩轉換。

編程容易

具有主動的力控製功能的機器人雖然有很多優(you) 點，例如適應性強、對不同用途可分別進行編程等，但它還需要更先進的控製係統和合適的編程來規定機器人應該怎樣與(yu) 外部的製約條件實現互動。現在，ABB已把研究工作的重點放在控製策略及其能力上，使機器人能夠在實現穩定而輕柔地接觸的同時，還能夠與(yu) 外界物體(ti) 實現互動。

引入力反饋的功能隻能使工業(ye) 機器人能夠對外界力作出反應，但卻不能告訴機器人當裝配零件時應該怎樣運動，所以，力控製隻能讓一個(ge) 具有順從(cong) 性的機器人盡量去避免大的接觸力，但沒有一種機製使它可根據零件的幾何形狀把幾個(ge) 零件（例如齒輪）裝配起來。這時，裝配件之間的卡死雖然可以預防，但卻無助於(yu) 讓這些零件對中。在不確定性較高的情況下進行裝配並非不可，但由於(yu) 有許多可能的接觸狀態在數學上仍不能對其進行處理的情況，所以通過力的相互作用來修正機器人的位置的確是很困難的。

ABB的解決(jue) 方案是通過引入吸引力的概念使用戶擺脫複雜編程的負擔。同以導納為(wei) 基礎的快速力控製不僅(jin) 保證了接觸是輕柔的，而且被裝配的零件能定位在準確的對中位置上。所有的對中要求一旦得到滿足，機器人就可以開始對其專(zhuan) 用零件進行搜索並進行裝配。一個(ge) 典型的裝配程序可以簡化如下：

● 設定吸引力；

● 設定搜索參數；

● 設定目的地；

● 移動到開始點；

● 啟動力控製；

● 如果接觸，啟動搜索；結束如果；

● 如果達不到目的地，繼續搜索；結束如果；

● 撤消搜索；撤消力控製；返回。

力量加敏捷

很明顯，被裝配的零件越輕，施加一個(ge) 較輕的接觸力就越容易，即使在手工裝配時也是這樣。當裝配重的零件時，要使允許的接觸力小於(yu) 零件的重量，並把零件移動到設定的位置上就不那麽(me) 容易了，因為(wei) 這需要機械手抓住零件，克服重力，同時還要完成若幹個(ge) 裝配步驟，這種工作是錯綜複雜而且很繁重的。

現在舉(ju) 一個(ge) 福特汽車裝配F/N液力變矩器殼體(ti) 的例子。該殼體(ti) 重量約25kg，殼體(ti) 裏麵有一個(ge) 雙花鍵的齒輪組，還要把一個(ge) 齒輪泵插進這個(ge) 齒輪組裏。齒輪泵的密封是很重要的，因此在插入時要非常小心, 無論如何都要確保不能損壞，同時在內(nei) 部還必須裝上一根花鍵軸，這使裝配工作變得更加複雜。

為(wei) 完成這項任務，ABB的機器人解決(jue) 方案最終選擇了IRB6400機器人，這種機器人的有效負載能力為(wei) 150kg，它能在無需幫助的情況下支撐零件的重量，並且不會(hui) 出現任何額外有的接觸力。試驗表明，IRB6400機器人能處理的總重量為(wei) 75kg（包括零件、抓手和力傳(chuan) 感器的重量），而且仍然能把接觸力限製在200N以下。

正如試驗所證明的那樣，ABB機器人具有先進的力控製裝置，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題，因此適合於(yu) 各種工業(ye) 部門進行裝配工作。

性能優(you) 越，工作可靠

在汽車工業(ye) 中, 對先進的力控製器所進行的試驗已令人信服地證明：它具有提高循環時間和在不同裝配作業(ye) 中靈活應用的能力。在離合器裝配的例子中，安裝了IRB4400機器人的工作單元把部件插入的時間平均隻需要5.7s（如果用手工裝配，插入時間一般需要15～20s），最初接觸時的反作用力小於(yu) 100N，在裝配時小於(yu) 80N。另一個(ge) 例子是F/N液力變矩器的裝配，平均需要時間6.98s，接觸力限製在200N。值得注意的是，該裝配過程允許的定位誤差僅(jin) 為(wei) ±2mm。

ABB的S4Cplus機器人控製器受到整個(ge) 製造工業(ye) 的稱讚，因為(wei) 它的可靠性使機器人能夠表現出很多優(you) 越的性能。

有利於(yu) 擴大應用市場

現在ABB又開發出一種可供選用的力控製器, 進一步提高了其聲譽。

這次開發的技術本來主要是用於(yu) 汽車工業(ye) 裝配作業(ye) 的，但這種先進的力控製技術有可能使很多其他工業(ye) 領域也能受益，尤其是對於(yu) 要求“裝配完全正確，時間第一”的機械裝配工作中。