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隨著我國人口紅利的消失，機器人取代工人顯得越來越迫切。它在工業(yè)生產(chǎn)中所扮演的角色越來越重要。機器人順利工作前的重要步驟是機器人的示教。目前，機器人的示教工作主要是依賴于工人操作示教器來完成的。然而，這種方式的缺陷很多，如示教效率低，示教過程復(fù)雜，并且需要操作員掌握一定的機器人使用知識。 ▲DMC600M拖動示教系統(tǒng) 機器人拖動示教，就是操作員可以直接拖著機器人各關(guān)節(jié)，運動到理想的姿態(tài)，記錄下來。協(xié)作機器人是較早具有該功能的系統(tǒng)。這種示教方式可以避免傳統(tǒng)示教的各種缺點，是機器人中一項很有應(yīng)用前景的技術(shù)。 目前拖動示教可以分為兩大方向：增加傳感器類和運用物理學(xué)公式類 傳感器類：是在機器人關(guān)節(jié)處安裝力矩傳感器，配合控制器中的算法，操作者牽引機器人末端執(zhí)行器做線性或者旋轉(zhuǎn)的運動，檢測出用戶施加在該處的外力信息的拖動示教。這種方法雖然實現(xiàn)起來較為簡單，但需要額外配置力矩傳感器，增加了機器人的示教成本，并且由于手動強行拖拽，使得機器人的運動顯得十分僵硬，想要獲取特定點還需要傳統(tǒng)的遙控示教盒的輔助。 （1）末端力矩傳感器類 通過在機器人末端安裝六維力矩傳感器， 控制器可檢測出用戶施加在該處的外力信息（FX,FY,FZ,TX,TY,TZ），再結(jié)合阻抗/導(dǎo)納控制，即可實現(xiàn)機器人的拖動示教。 這種方式實現(xiàn)起來較為簡單，然而質(zhì)量不好的力傳感器零點容易漂，會有安全隱患，而質(zhì)量稍微好點的力傳感器價格貴的要死，甚至比機器人本體還貴。而且，它只支持在傳感器安裝處的拖動示教，實現(xiàn)方式不靈活。筆者在今年的機器人展上體驗過新時達(dá)的該類機器人， 拖動中會感覺會偶爾出現(xiàn)跳變，估計是傳感器標(biāo)定等相關(guān)的問題造成的。 （2）關(guān)節(jié)力矩傳感器類 這種方式的機器人本體結(jié)構(gòu)的特點是在關(guān)節(jié)處需安裝力矩傳感器（下圖中的彈簧）和雙編碼器， 組成柔性關(guān)節(jié)或線彈性驅(qū)動器（serial elastic joint）。減速器一般采用剛度較低的諧波減速器。 傳統(tǒng)的工業(yè)機器人為了提高位置追蹤精度，系統(tǒng)的剛度往往是越大越好。而這類機器人通過降低關(guān)節(jié)剛度，達(dá)到提高力矩檢測和控制的靈敏度的目的。由于關(guān)節(jié)剛度較低，電機與連桿端的角度不一樣，因此需要在連桿端（力矩傳感器輸出） 再加一個編碼器。目前市面上典型產(chǎn)品有 Kuka 公司與德國宇航局共同研發(fā)的幾款輕型機械臂和Rethink robotics。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是可以精確對系統(tǒng)建模， 提高力矩檢測和控制精度，拖動示教也會更輕松更柔順。然而， 過高的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和成本導(dǎo)致這些機器人的市場接受度較低。 物理學(xué)公式類：這種方式不需要在機器人本體上加其余力矩傳感器，優(yōu)勢是成本低，結(jié)構(gòu)簡單，但手感會比上一種稍微差點。這種方式是目前拖動示教的主流方案， 這種類型的拖動示教，機器人驅(qū)動器工作在電流/力矩模式。 （1）開環(huán)力控 是更為直接的機器人拖動示教方法，基于力矩控制的零力平衡，即借助機器人的動力學(xué)模型，控制器可以實時的算出機器人被拖動時所需要的力矩，然后把提供該力矩給電機使得機器人能夠很好地輔助操作人員進(jìn)行拖動。 通過逆動力學(xué)算得的電機所需要的力矩，其計算公式包括慣性力項、科里奧利力 和離心力項、重力項以及摩擦力項。而當(dāng)中的根據(jù)選擇的摩擦力模型可以分解為粘性摩擦力項、庫侖摩擦力項以及補償。 不同于傳統(tǒng)阻抗的拖動示教方法，零力控制方法在示教時依靠精確的動力學(xué)模型，拖動機器人的摩擦力以及慣性力都的到了相應(yīng)的電機力矩的抵消，使得機器人能夠輕松的拖動，對操作者更友好。同時算法也保證了當(dāng)外力被撤銷時，機器人能夠迅速的靜止在當(dāng)前位置，確保了設(shè)備和操作人員的安全。 零力控制拖動示教的另一個優(yōu)勢是，在動力學(xué)模型中，各關(guān)節(jié)的力矩是可以單獨控制的，所以機器人的拖動點不再被固定在末端執(zhí)行器上，操作者可以在機器人任意位置去拖動機器人，使操作更加靈活多變。 （2）閉環(huán)力控 閉環(huán)力控會存在如下一個力反饋回路，它通過算法估計出用戶的牽引力矩， 再通過阻抗控制，讓電機輸出一個輔助力矩，幫助用戶拖動機器人，完成示教工作。由于反饋回路的存在，它對機器人建模和系統(tǒng)辨識的精度要求較低。 閉環(huán)力控的另一大優(yōu)勢是它通過算法改變了機器人的整體動力學(xué)特性，可降低機器人與環(huán)境交互中的阻抗特性，這也是提出閉環(huán)力控的一個初衷。這項技術(shù)可在一些對接觸力要求較低場合，取代力矩傳感器的作用，比如可以用來做柔性裝配等。 |
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