協(xié)作機(jī)器人-感知、交互、操作與控制技術(shù) 課件 -1-基礎(chǔ)理論

協(xié)作機(jī)器人基礎(chǔ)理論什么是協(xié)作機(jī)器人？協(xié)作機(jī)器人指的是一種能夠在共享工作空間中實(shí)現(xiàn)物理人–機(jī)器人交互并執(zhí)行協(xié)作任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。協(xié)作機(jī)器人正逐漸融入人類社會(huì)，與人類、其他機(jī)器人或非結(jié)構(gòu)化環(huán)境等進(jìn)行密切和復(fù)雜的交互。協(xié)作機(jī)器人是下一代機(jī)器人的重要發(fā)展方向，其柔順控制技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的協(xié)作交互至關(guān)重要。典型協(xié)作機(jī)器人典型工業(yè)機(jī)器人協(xié)作機(jī)器人特點(diǎn)傳統(tǒng)機(jī)器人大規(guī)模重復(fù)生產(chǎn)簡(jiǎn)單繁重勞動(dòng)生產(chǎn)環(huán)境隔離智能感知人機(jī)協(xié)作環(huán)境共融傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人缺乏感知能力，柔順性和安全性不足，無法適應(yīng)新的工作模式；協(xié)作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)環(huán)境共融是未來機(jī)器人應(yīng)用的主要形式，機(jī)器人的安全性和可操作性是協(xié)作機(jī)器人發(fā)展的核心需求；環(huán)境感知和交互行為控制是應(yīng)對(duì)這一要求的關(guān)鍵技術(shù)。協(xié)作機(jī)器人協(xié)作機(jī)器人特點(diǎn)人機(jī)協(xié)作裝配噴涂搬運(yùn)醫(yī)療康復(fù)擬人操作傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人協(xié)作機(jī)器人環(huán)境感知技術(shù)：力覺感知，視覺感知，環(huán)境建模，場(chǎng)景理解等交互控制技術(shù)：力位混合控制，阻抗控制，動(dòng)態(tài)行為控制等

外力感知和交互控制是協(xié)作機(jī)器人非常重要的共性核心功能。協(xié)作機(jī)器人特點(diǎn)1、協(xié)作機(jī)器人通常具有質(zhì)量輕、安全性高、對(duì)環(huán)境的感知適應(yīng)性好，人機(jī)交互能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足任務(wù)多樣性和環(huán)境復(fù)雜性的要求，用于執(zhí)行與未知環(huán)境和人發(fā)生交互作用的操作任務(wù)；2、為了實(shí)現(xiàn)同外界環(huán)境和人的安全交互與協(xié)作，協(xié)作機(jī)器人既需要具有輕量化的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)，還必須具備柔順運(yùn)動(dòng)性能。協(xié)作機(jī)器人分類按用途分類協(xié)作機(jī)器人按用途可分為工業(yè)協(xié)作機(jī)器人、服務(wù)協(xié)作機(jī)器人、醫(yī)療協(xié)作機(jī)器人、特種協(xié)作機(jī)器人等。按構(gòu)型分類固定式協(xié)作機(jī)器人、移動(dòng)式協(xié)作機(jī)器人、車臂復(fù)合型協(xié)作機(jī)器人、無人機(jī)——機(jī)械臂復(fù)合型協(xié)作機(jī)器人等。按負(fù)載分類5kg負(fù)載、10kg負(fù)載等。按人機(jī)距離分類人機(jī)共生型協(xié)作機(jī)器人、人機(jī)近距離協(xié)作機(jī)器人、人機(jī)遠(yuǎn)程協(xié)作機(jī)器人。協(xié)作機(jī)器人的想法起源于1995年GMMotorFoundation贊助的一個(gè)項(xiàng)目，旨在研究如何輔助裝配線上的操作人員更好地完成裝配作業(yè)。研究人員提出采用機(jī)器人輔助操作并找出使其足夠安全的方法，以便機(jī)器人能與工人協(xié)同工作。1996年，美國(guó)西北大學(xué)的Colgate教授和Peshkin教授發(fā)表論文首次提出了協(xié)作機(jī)器人概念。但是協(xié)作機(jī)器人快速發(fā)展則是始于2005年由歐盟第六框架計(jì)劃資助的SME（SmallandMedium-sizedEnterprises）機(jī)器人項(xiàng)目，并持續(xù)得到第七框架計(jì)劃資助，ABB、KUKA等機(jī)器人廠商均參加了該項(xiàng)目。目前世界領(lǐng)先的協(xié)作機(jī)器人有優(yōu)傲（UniversalRobots）公司的UR3、UR5、UR10，KUKA公司的LBRiiwa，ABB公司的雙臂協(xié)作機(jī)器人YuMi，F(xiàn)ANUC公司的CR系列機(jī)器人，以及Rethink公司的Baxter和Sawyer。國(guó)外協(xié)作機(jī)器人發(fā)展情況

近年來在國(guó)家相關(guān)政策的大力支持下，國(guó)內(nèi)協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用得到了良好的發(fā)展，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上也涌現(xiàn)出大批國(guó)產(chǎn)協(xié)作機(jī)器人。國(guó)產(chǎn)協(xié)作機(jī)器人發(fā)展情況《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確指出，研制面向3C、汽車零部件等領(lǐng)域的大負(fù)載、輕型、柔性、雙臂、移動(dòng)等協(xié)作機(jī)器人。未來，隨著技術(shù)的持續(xù)迭代創(chuàng)新，協(xié)作機(jī)器人將實(shí)現(xiàn)更加靈活而廣泛的應(yīng)用。協(xié)作機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)其驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)普遍采用了高轉(zhuǎn)矩密度的永磁力矩電機(jī)結(jié)合諧波減速器的傳動(dòng)方案，以提高機(jī)器人的載荷/自重比，如德國(guó)宇航中心（DLR）研制的輕型機(jī)器人LWR及其與KUKA合作的商業(yè)產(chǎn)品iiwa機(jī)器人、丹麥UniversalRobots公司的UR機(jī)器人、德國(guó)Franka公司的FrankaEmika機(jī)器人、國(guó)內(nèi)遨博智能公司的AUBO-i系列機(jī)器人等。為了提高協(xié)作機(jī)器人的本體柔性及其力控性能，一部分協(xié)作機(jī)器人通過在其關(guān)節(jié)傳動(dòng)鏈中串聯(lián)一個(gè)彈性元件而構(gòu)成串聯(lián)彈性致動(dòng)器（SEA），如Rethink公司所研發(fā)的Sawyer與Baxter。串聯(lián)彈性致動(dòng)器雖然有利于提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的柔順性，但由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度低，反過來制約了其運(yùn)動(dòng)控制帶寬和精度，使之應(yīng)用受限。為了兼顧協(xié)作機(jī)器人的柔順性能和定位精度，在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中增加一個(gè)專門設(shè)計(jì)的變剛度裝置成為了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，代表性工作包括Tonietti研制的變剛度致動(dòng)器（VSA），德國(guó)宇航中心研制的變剛度關(guān)節(jié)VS-Joint，意大利IIT的DarwinG.Caldwell教授等人先后研制的變剛度執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

這些結(jié)構(gòu)雖然能夠在不同程度上改變關(guān)節(jié)的剛度，但卻顯著增加了關(guān)節(jié)的重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及控制難度，目前仍處于研發(fā)階段，在協(xié)作機(jī)器人中實(shí)際應(yīng)用較少?？傊倔w結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)可以有效提高協(xié)作機(jī)器人的操作安全性，但本體結(jié)構(gòu)的柔性化設(shè)計(jì)在改善協(xié)作機(jī)器人的柔順運(yùn)動(dòng)性能方面仍然存在很多局限。

因此，研究與應(yīng)用柔順運(yùn)動(dòng)控制方法成為了當(dāng)前提高協(xié)作機(jī)器人柔順運(yùn)動(dòng)性能的首要手段。

協(xié)作機(jī)器人柔順控制協(xié)作機(jī)器人柔性運(yùn)動(dòng)控制策略和方案可分為兩種：i）被動(dòng)柔順性其中，由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)、伺服或特殊柔順裝置固有的柔順性，末端效應(yīng)器位置由接觸力自身調(diào)節(jié)；ii）主動(dòng)柔順性其中，通過構(gòu)造力反饋來實(shí)現(xiàn)可編程機(jī)器人反應(yīng)，通過控制交互力或在機(jī)器人末端生成特定于任務(wù)的順應(yīng)軌跡來提供柔順性。協(xié)作機(jī)器人柔順控制

主動(dòng)柔順控制方法可大致分為直接法和間接法兩大類，直接法指的是分別對(duì)力和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直接控制，而間接法指的是對(duì)力和運(yùn)動(dòng)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)柔順運(yùn)動(dòng)。對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行直接控制的方式，最具代表性的是由Raibert和Craig于1981年提出的力/位混合控制方法，這種方法基于交互操作時(shí)機(jī)器人位置子空間與力子空間的互補(bǔ)性和正交性進(jìn)行力和位置的解耦控制，也就是在位置子空間進(jìn)行位置控制，在力子空間進(jìn)行力控制，主要用于需要精確力控的場(chǎng)合。但實(shí)施該方法的前提條件是已知交互操作所需的力和位置軌跡，不適用于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的交互協(xié)作。因此，建立在力-運(yùn)動(dòng)混合控制基礎(chǔ)上的直接法在協(xié)作機(jī)器人柔順運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用受限。間接法并不直接控制力或位置/速度，而是通過控制交互點(diǎn)處機(jī)器人所受外力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，使之滿足期望的動(dòng)態(tài)柔順運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人柔順運(yùn)動(dòng)性能的控制，并通過改變期望動(dòng)態(tài)特性以滿足不同交互操作任務(wù)的柔順性需求。這種控制方式最早由Hogan于1985年借鑒電路中阻抗的概念和特點(diǎn)而提出，將由交互點(diǎn)處速度到交互力之間的傳遞關(guān)系用“阻抗”來描述，這種基于間接方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順運(yùn)動(dòng)控制的方法被稱作阻抗控制。由于阻抗控制能夠確保機(jī)器人在受約束環(huán)境中進(jìn)行操作，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)慕换チ?，并且?duì)一些不確定因素和外界干擾具有較強(qiáng)的魯棒性，又在實(shí)施時(shí)具有較少的計(jì)算量，目前被廣泛應(yīng)用于協(xié)作機(jī)器人的柔順運(yùn)動(dòng)控制。協(xié)作機(jī)器人柔順控制協(xié)作機(jī)器人交互環(huán)境分類從是否提供能量來分，可以分為主動(dòng)環(huán)境和被動(dòng)環(huán)境；從環(huán)境位置是否變化，可以分為常位置環(huán)境和變位置環(huán)境；從動(dòng)力學(xué)參數(shù)是否變化，可以分為常參數(shù)環(huán)境和變參數(shù)環(huán)境；從環(huán)境參數(shù)是否隨機(jī)變化，可以分為確定環(huán)境和隨機(jī)變化環(huán)境；從環(huán)境動(dòng)力學(xué)特性，可以分為彈性環(huán)境、塑性環(huán)境和剛性環(huán)境；從機(jī)器人-環(huán)境約束特性，可以分為瞬時(shí)耦合環(huán)境、松耦合環(huán)境和緊耦合環(huán)境。。。。協(xié)作機(jī)器人操作任務(wù)分類與這些任務(wù)不同的是，許多復(fù)雜的先進(jìn)機(jī)器人應(yīng)用，如裝配和加工，都要求機(jī)器人與其他物體進(jìn)行機(jī)械耦合。原則上，可以區(qū)分兩個(gè)基本的接觸任務(wù)子類。第一種是基本力任務(wù)，其本質(zhì)要求末端執(zhí)行器與環(huán)境建立物理接觸并施加特定于過程的力。一般來說，這些任務(wù)需要同時(shí)控制末端執(zhí)行器的位置和相互作用力。這類任務(wù)的典型例子是機(jī)械加工過程，如磨削、去毛刺、拋光、彎曲等。在這些任務(wù)中，力是操作任務(wù)的固有部分，并對(duì)其成功實(shí)現(xiàn)起決定性作用（如金屬切削或塑性變形）。為了防止工具在操作過程中過載或損壞，必須根據(jù)某些明確的任務(wù)要求控制接觸力。第二種任務(wù)的主要重點(diǎn)在于末端運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)必須在受約束曲面附近實(shí)現(xiàn)（柔順運(yùn)動(dòng)）。這