核電站需要在高處開關(guān)閥門等。本田公司為此試制出了可通過(guò)遠(yuǎn)程操作來(lái)完成這種作業(yè)的“作業(yè)臂機(jī)器人”（圖）。核電站有很多狹窄復(fù)雜的場(chǎng)所，在高處作業(yè)時(shí)，機(jī)器人需要放在升降式底座上。因此要求“作業(yè)臂機(jī)器人”能在狹窄復(fù)雜的場(chǎng)所及搖晃不穩(wěn)的底座上準(zhǔn)確開關(guān)閥門。
“其實(shí)機(jī)器人體內(nèi)裝有局域網(wǎng)”。本田技術(shù)研究所基礎(chǔ)技術(shù)研究中心第5研究室室長(zhǎng)兼主任研究員重見(jiàn)聰史這樣說(shuō)道。
通過(guò)體內(nèi)LAN進(jìn)行分散控制
要在狹小復(fù)雜的空間內(nèi)使作業(yè)臂機(jī)器人的手部靠近閥門的手柄面，需要使其手臂彎曲并避開障礙物。為此，要同時(shí)控制多個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作，需要采用分散控制系統(tǒng)來(lái)控制各個(gè)單元，否則，就無(wú)法進(jìn)行及時(shí)控制。因此，作業(yè)臂機(jī)器人采用“以LAN將主處理器與控制各部分的電子控制單元（ECU）相連接的構(gòu)造”（重見(jiàn)）。
圖：本田試制的“作業(yè)臂機(jī)器人”及其關(guān)鍵技術(shù)
圖中是可通過(guò)遠(yuǎn)程操作開關(guān)閥門的機(jī)器人，準(zhǔn)備應(yīng)用于核電站等場(chǎng)所。該機(jī)器人具備可在升降式底座等不穩(wěn)定場(chǎng)所準(zhǔn)確開關(guān)閥門的功能。作業(yè)臂頂端的手部?jī)?nèi)配備有攝像頭，操作者可根據(jù)該攝像頭傳來(lái)的影像，指揮機(jī)器人的手部移動(dòng)，使得閥門手柄的位置與圖像上顯示的目標(biāo)白線一致。此時(shí)作業(yè)臂的姿勢(shì)可由機(jī)器人在考慮底座搖晃程度及配管等障礙物位置的基礎(chǔ)上計(jì)算出來(lái)。
多關(guān)節(jié)同步控制系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器人的體內(nèi)LAN按順序收集各種傳感器的信息，然后由主處理器根據(jù)這些信息計(jì)算出機(jī)器人應(yīng)該采取的姿勢(shì)。最后將該結(jié)果同時(shí)發(fā)送給所有ECU，從而實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)同步控制。該系統(tǒng)以500μs的短周期反復(fù)進(jìn)行上述操作，提高了響應(yīng)速度。
向受力的反方向移動(dòng)
“機(jī)器人在手部操作閥門手柄時(shí)如果遇到底座晃動(dòng)，必須能夠吸收沖擊”（本田技術(shù)研究所基礎(chǔ)技術(shù)研究中心第5研究室第2組主任研究員松本隆志）。其理由是如果受到強(qiáng)大沖擊，作業(yè)臂及閥門就有可能遭到破壞。因此，要求作業(yè)臂機(jī)器人必須采用可吸收沖擊力的技術(shù)。
具體來(lái)說(shuō)，就是柔順控制技術(shù)。比如，“當(dāng)人的手被擠壓時(shí)，就會(huì)無(wú)意識(shí)地向相反方向縮回。這是因?yàn)椴豢s回的話就要承受更多的力量。與此相同，柔順控制技術(shù)就是讓機(jī)器人向受力的相反方向移動(dòng)”（松本）。
但向相反方向移動(dòng)多少比較合適，這一點(diǎn)很難判斷。因此，作業(yè)臂機(jī)器人采用的處理是“首先試著向相反方向移動(dòng)并判斷受力減小的程度，如果受力減小得不多，就需要進(jìn)一步移動(dòng)”（松本）。以500μs的周期反復(fù)進(jìn)行這種處理，便能有效地吸收沖擊力。
使機(jī)器人手部與閥門手柄面垂直
作業(yè)臂機(jī)器人必須能夠準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)閥門手柄。因此，需要使機(jī)器人手部精確地按住閥門手柄面，而底座的晃動(dòng)同樣會(huì)對(duì)此造成妨礙。
為了解決這一問(wèn)題，作業(yè)臂機(jī)器人需要推算出手柄面的角度、底座的傾斜度及水平移動(dòng)量，使手部與閥門手柄面垂直緊貼。如果保持這種狀態(tài)，機(jī)器人的手部就能牢牢抓住手柄面并準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)手柄。
因此本田的作業(yè)臂機(jī)器人配置了力度傳感器、陀螺儀和加速度傳感器。機(jī)器人的手腕與腰部各自都配置了一個(gè)力度傳感器和一套陀螺儀配加速度傳感器。利用力度傳感器可測(cè)出腕部的受力、腰部的受力以及自身重量產(chǎn)生的力矩；利用陀螺儀結(jié)合加速度傳感器可測(cè)出手腕與腰部的傾斜度。根據(jù)這些信息，可以推算出底座的傾斜度及水平移動(dòng)量。
閥門手柄面的角度可根據(jù)機(jī)器人腕部所受力矩計(jì)算得出。機(jī)器人手部垂直接觸閥門手柄面時(shí)，手柄面對(duì)機(jī)器人手腕施加的力矩為零。而機(jī)器人手部?jī)A斜接觸手柄面時(shí)，力矩不為零。也就是說(shuō)，機(jī)器人腕部受有力矩時(shí)，機(jī)器人手部需要變化角度減小腕部被施加的力矩。
該過(guò)程會(huì)不斷重復(fù)，直到力矩變?yōu)榱?，周期?00μs。手柄面的角度可通過(guò)該過(guò)程中的力矩積分來(lái)計(jì)算，計(jì)算時(shí)間僅為約0.1秒。這樣機(jī)器人便可在高處準(zhǔn)確實(shí)施開關(guān)閥門等作業(yè)。
本田計(jì)劃在2012年上半年讓候選企業(yè)用戶評(píng)估作業(yè)臂機(jī)器人*。今后的課題是提高根據(jù)攝像頭的影像來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的易用性。“要使操作者能夠感覺(jué)到機(jī)器人與障礙物的距離”（松本）。
* 作業(yè)臂機(jī)器人的用途因情況不同而異，除了開關(guān)閥門的作業(yè)之外，還有望用于在復(fù)雜的場(chǎng)所移動(dòng)，使作業(yè)臂靈活彎曲并在看不見(jiàn)的陰暗處拍攝等用途。
另外，本文提及的的所有技術(shù)均為本田在開發(fā)仿人型機(jī)器人“ASIMO”的過(guò)程中培育的技術(shù)
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