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本田的作业臂机器人：高处及狭窄处均可准确作业 |
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作者：富冈 恒宪 来源：日经制造 |
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核电站需要在高处开关阀门等。本田公司为此试制出了可通过远程操作来完成这种作业的“作业臂机器人”（图）。核电站有很多狭窄复杂的场所，在高处作业时，机器人需要放在升降式底座上。因此要求“作业臂机器人”能在狭窄复杂的场所及摇晃不稳的底座上准确开关阀门。
“其实机器人体内装有局域网”。本田技术研究所基础技术研究中心第5研究室室长兼主任研究员重见聪史这样说道。
通过体内LAN进行分散控制
要在狭小复杂的空间内使作业臂机器人的手部靠近阀门的手柄面，需要使其手臂弯曲并避开障碍物。为此，要同时控制多个关节的动作，需要采用分散控制系统来控制各个单元，否则，就无法进行及时控制。因此，作业臂机器人采用“以LAN将主处理器与控制各部分的电子控制单元（ECU）相连接的构造”（重见）。
图：本田试制的“作业臂机器人”及其关键技术
图中是可通过远程操作开关阀门的机器人，准备应用于核电站等场所。该机器人具备可在升降式底座等不稳定场所准确开关阀门的功能。作业臂顶端的手部内配备有摄像头，操作者可根据该摄像头传来的影像，指挥机器人的手部移动，使得阀门手柄的位置与图像上显示的目标白线一致。此时作业臂的姿势可由机器人在考虑底座摇晃程度及配管等障碍物位置的基础上计算出来。
多关节同步控制系统通过机器人的体内LAN按顺序收集各种传感器的信息，然后由主处理器根据这些信息计算出机器人应该采取的姿势。最后将该结果同时发送给所有ECU，从而实现多关节同步控制。该系统以500μs的短周期反复进行上述操作，提高了响应速度。
向受力的反方向移动
“机器人在手部操作阀门手柄时如果遇到底座晃动，必须能够吸收冲击”（本田技术研究所基础技术研究中心第5研究室第2组主任研究员松本隆志）。其理由是如果受到强大冲击，作业臂及阀门就有可能遭到破坏。因此，要求作业臂机器人必须采用可吸收冲击力的技术。
具体来说，就是柔顺控制技术。比如，“当人的手被挤压时，就会无意识地向相反方向缩回。这是因为不缩回的话就要承受更多的力量。与此相同，柔顺控制技术就是让机器人向受力的相反方向移动”（松本）。
但向相反方向移动多少比较合适，这一点很难判断。因此，作业臂机器人采用的处理是“首先试着向相反方向移动并判断受力减小的程度，如果受力减小得不多，就需要进一步移动”（松本）。以500μs的周期反复进行这种处理，便能有效地吸收冲击力。
使机器人手部与阀门手柄面垂直
作业臂机器人必须能够准确转动阀门手柄。因此，需要使机器人手部精确地按住阀门手柄面，而底座的晃动同样会对此造成妨碍。
为了解决这一问题，作业臂机器人需要推算出手柄面的角度、底座的倾斜度及水平移动量，使手部与阀门手柄面垂直紧贴。如果保持这种状态，机器人的手部就能牢牢抓住手柄面并准确转动手柄。
因此本田的作业臂机器人配置了力度传感器、陀螺仪和加速度传感器。机器人的手腕与腰部各自都配置了一个力度传感器和一套陀螺仪配加速度传感器。利用力度传感器可测出腕部的受力、腰部的受力以及自身重量产生的力矩；利用陀螺仪结合加速度传感器可测出手腕与腰部的倾斜度。根据这些信息，可以推算出底座的倾斜度及水平移动量。
阀门手柄面的角度可根据机器人腕部所受力矩计算得出。机器人手部垂直接触阀门手柄面时，手柄面对机器人手腕施加的力矩为零。而机器人手部倾斜接触手柄面时，力矩不为零。也就是说，机器人腕部受有力矩时，机器人手部需要变化角度减小腕部被施加的力矩。
该过程会不断重复，直到力矩变为零，周期为500μs。手柄面的角度可通过该过程中的力矩积分来计算，计算时间仅为约0.1秒。这样机器人便可在高处准确实施开关阀门等作业。
本田计划在2012年上半年让候选企业用户评估作业臂机器人*。今后的课题是提高根据摄像头的影像来进行远程操作的易用性。“要使操作者能够感觉到机器人与障碍物的距离”（松本）。
* 作业臂机器人的用途因情况不同而异，除了开关阀门的作业之外，还有望用于在复杂的场所移动，使作业臂灵活弯曲并在看不见的阴暗处拍摄等用途。
另外，本文提及的的所有技术均为本田在开发仿人型机器人“ASIMO”的过程中培育的技术。（记者：富冈 恒宪，中山 力，《日经制造》）
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(1/31/2012) |
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