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隨著(zhù)我國人口紅利的消失，機器人取代工人顯得越來(lái)越迫切。它在工業(yè)生產(chǎn)中所扮演的角色越來(lái)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(lài)于工人操作示教器來(lái)完成的。然而，這種方式的缺陷很多，如示教效率低，示教過(guò)程復雜，并且需要操作員掌握一定的機器人使用知識。 ▲DMC600M拖動(dòng)示教系統 機器人拖動(dòng)示教，就是操作員可以直接拖著(zhù)機器人各關(guān)節，運動(dòng)到理想的姿態(tài)，記錄下來(lái)。協(xié)作機器人是較早具有該功能的系統。這種示教方式可以避免傳統示教的各種缺點(diǎn)，是機器人中一項很有應用前景的技術(shù)。 目前拖動(dòng)示教可以分為兩大方向：增加傳感器類(lèi)和運用物理學(xué)公式類(lèi) 傳感器類(lèi)：是在機器人關(guān)節處安裝力矩傳感器，配合控制器中的算法，操作者牽引機器人末端執行器做線(xiàn)性或者旋轉的運動(dòng)，檢測出用戶(hù)施加在該處的外力信息的拖動(dòng)示教。這種方法雖然實(shí)現起來(lái)較為簡(jiǎn)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(dòng)強行拖拽，使得機器人的運動(dòng)顯得十分僵硬，想要獲取特定點(diǎn)還需要傳統的遙控示教盒的輔助。 （1）末端力矩傳感器類(lèi) 通過(guò)在機器人末端安裝六維力矩傳感器， 控制器可檢測出用戶(hù)施加在該處的外力信息（FX,FY,FZ,TX,TY,TZ），再結合阻抗/導納控制，即可實(shí)現機器人的拖動(dòng)示教。 這種方式實(shí)現起來(lái)較為簡(jiǎn)單，然而質(zhì)量不好的力傳感器零點(diǎn)容易漂，會(huì )有安全隱患，而質(zhì)量稍微好點(diǎn)的力傳感器價(jià)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(dòng)示教，實(shí)現方式不靈活。筆者在今年的機器人展上體驗過(guò)新時(shí)達的該類(lèi)機器人， 拖動(dòng)中會(huì )感覺(jué)會(huì )偶爾出現跳變，估計是傳感器標定等相關(guān)的問(wèn)題造成的。 （2）關(guān)節力矩傳感器類(lèi) 這種方式的機器人本體結構的特點(diǎn)是在關(guān)節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)節或線(xiàn)彈性驅動(dòng)器（serial elastic joint）。減速器一般采用剛度較低的諧波減速器。 傳統的工業(yè)機器人為了提高位置追蹤精度，系統的剛度往往是越大越好。而這類(lèi)機器人通過(guò)降低關(guān)節剛度，達到提高力矩檢測和控制的靈敏度的目的。由于關(guān)節剛度較低，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(gè)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。 這種結構的優(yōu)勢是可以精確對系統建模， 提高力矩檢測和控制精度，拖動(dòng)示教也會(huì )更輕松更柔順。然而， 過(guò)高的結構復雜度和成本導致這些機器人的市場(chǎng)接受度較低。 物理學(xué)公式類(lèi)：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，結構簡(jiǎn)單，但手感會(huì )比上一種稍微差點(diǎn)。這種方式是目前拖動(dòng)示教的主流方案， 這種類(lèi)型的拖動(dòng)示教，機器人驅動(dòng)器工作在電流/力矩模式。 （1）開(kāi)環(huán)力控 是更為直接的機器人拖動(dòng)示教方法，基于力矩控制的零力平衡，即借助機器人的動(dòng)力學(xué)模型，控制器可以實(shí)時(shí)的算出機器人被拖動(dòng)時(shí)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(dòng)。 通過(guò)逆動(dòng)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。而當中的根據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。 不同于傳統阻抗的拖動(dòng)示教方法，零力控制方法在示教時(shí)依靠精確的動(dòng)力學(xué)模型，拖動(dòng)機器人的摩擦力以及慣性力都的到了相應的電機力矩的抵消，使得機器人能夠輕松的拖動(dòng)，對操作者更友好。同時(shí)算法也保證了當外力被撤銷(xiāo)時(shí)，機器人能夠迅速的靜止在當前位置，確保了設備和操作人員的安全。 零力控制拖動(dòng)示教的另一個(gè)優(yōu)勢是，在動(dòng)力學(xué)模型中，各關(guān)節的力矩是可以單獨控制的，所以機器人的拖動(dòng)點(diǎn)不再被固定在末端執行器上，操作者可以在機器人任意位置去拖動(dòng)機器人，使操作更加靈活多變。 （2）閉環(huán)力控 閉環(huán)力控會(huì )存在如下一個(gè)力反饋回路，它通過(guò)算法估計出用戶(hù)的牽引力矩， 再通過(guò)阻抗控制，讓電機輸出一個(gè)輔助力矩，幫助用戶(hù)拖動(dòng)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(guò)算法改變了機器人的整體動(dòng)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(gè)初衷。這項技術(shù)可在一些對接觸力要求較低場(chǎng)合，取代力矩傳感器的作用，比如可以用來(lái)做柔性裝配等。 |
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