協(xié)作機器人-感知、交互、操作與控制技術 課件 -1-基礎理論

協(xié)作機器人基礎理論什么是協(xié)作機器人？協(xié)作機器人指的是一種能夠在共享工作空間中實現物理人–機器人交互并執(zhí)行協(xié)作任務的機器人系統(tǒng)。協(xié)作機器人正逐漸融入人類社會，與人類、其他機器人或非結構化環(huán)境等進行密切和復雜的交互。協(xié)作機器人是下一代機器人的重要發(fā)展方向，其柔順控制技術對于實現安全穩(wěn)定的協(xié)作交互至關重要。典型協(xié)作機器人典型工業(yè)機器人協(xié)作機器人特點傳統(tǒng)機器人大規(guī)模重復生產簡單繁重勞動生產環(huán)境隔離智能感知人機協(xié)作環(huán)境共融傳統(tǒng)工業(yè)機器人缺乏感知能力，柔順性和安全性不足，無法適應新的工作模式；協(xié)作機器人實現環(huán)境共融是未來機器人應用的主要形式，機器人的安全性和可操作性是協(xié)作機器人發(fā)展的核心需求；環(huán)境感知和交互行為控制是應對這一要求的關鍵技術。協(xié)作機器人協(xié)作機器人特點人機協(xié)作裝配噴涂搬運醫(yī)療康復擬人操作傳統(tǒng)工業(yè)機器人協(xié)作機器人環(huán)境感知技術：力覺感知，視覺感知，環(huán)境建模，場景理解等交互控制技術：力位混合控制，阻抗控制，動態(tài)行為控制等

外力感知和交互控制是協(xié)作機器人非常重要的共性核心功能。協(xié)作機器人特點1、協(xié)作機器人通常具有質量輕、安全性高、對環(huán)境的感知適應性好，人機交互能力強等優(yōu)點，能夠滿足任務多樣性和環(huán)境復雜性的要求，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；2、為了實現同外界環(huán)境和人的安全交互與協(xié)作，協(xié)作機器人既需要具有輕量化的機械本體結構，還必須具備柔順運動性能。協(xié)作機器人分類按用途分類協(xié)作機器人按用途可分為工業(yè)協(xié)作機器人、服務協(xié)作機器人、醫(yī)療協(xié)作機器人、特種協(xié)作機器人等。按構型分類固定式協(xié)作機器人、移動式協(xié)作機器人、車臂復合型協(xié)作機器人、無人機——機械臂復合型協(xié)作機器人等。按負載分類5kg負載、10kg負載等。按人機距離分類人機共生型協(xié)作機器人、人機近距離協(xié)作機器人、人機遠程協(xié)作機器人。協(xié)作機器人的想法起源于1995年GMMotorFoundation贊助的一個項目，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器人輔助操作并找出使其足夠安全的方法，以便機器人能與工人協(xié)同工作。1996年，美國西北大學的Colgate教授和Peshkin教授發(fā)表論文首次提出了協(xié)作機器人概念。但是協(xié)作機器人快速發(fā)展則是始于2005年由歐盟第六框架計劃資助的SME（SmallandMedium-sizedEnterprises）機器人項目，并持續(xù)得到第七框架計劃資助，ABB、KUKA等機器人廠商均參加了該項目。目前世界領先的協(xié)作機器人有優(yōu)傲（UniversalRobots）公司的UR3、UR5、UR10，KUKA公司的LBRiiwa，ABB公司的雙臂協(xié)作機器人YuMi，FANUC公司的CR系列機器人，以及Rethink公司的Baxter和Sawyer。國外協(xié)作機器人發(fā)展情況

近年來在國家相關政策的大力支持下，國內協(xié)作機器人應用得到了良好的發(fā)展，國內市場上也涌現出大批國產協(xié)作機器人。國產協(xié)作機器人發(fā)展情況《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確指出，研制面向3C、汽車零部件等領域的大負載、輕型、柔性、雙臂、移動等協(xié)作機器人。未來，隨著技術的持續(xù)迭代創(chuàng)新，協(xié)作機器人將實現更加靈活而廣泛的應用。協(xié)作機器人本體結構其驅動關節(jié)普遍采用了高轉矩密度的永磁力矩電機結合諧波減速器的傳動方案，以提高機器人的載荷/自重比，如德國宇航中心（DLR）研制的輕型機器人LWR及其與KUKA合作的商業(yè)產品iiwa機器人、丹麥UniversalRobots公司的UR機器人、德國Franka公司的FrankaEmika機器人、國內遨博智能公司的AUBO-i系列機器人等。為了提高協(xié)作機器人的本體柔性及其力控性能，一部分協(xié)作機器人通過在其關節(jié)傳動鏈中串聯一個彈性元件而構成串聯彈性致動器（SEA），如Rethink公司所研發(fā)的Sawyer與Baxter。串聯彈性致動器雖然有利于提高機器人運動的柔順性，但由于系統(tǒng)的結構剛度低，反過來制約了其運動控制帶寬和精度，使之應用受限。為了兼顧協(xié)作機器人的柔順性能和定位精度，在驅動關節(jié)中增加一個專門設計的變剛度裝置成為了一個新的研究熱點，代表性工作包括Tonietti研制的變剛度致動器（VSA），德國宇航中心研制的變剛度關節(jié)VS-Joint，意大利IIT的DarwinG.Caldwell教授等人先后研制的變剛度執(zhí)行機構等。

這些結構雖然能夠在不同程度上改變關節(jié)的剛度，但卻顯著增加了關節(jié)的重量、結構復雜性以及控制難度，目前仍處于研發(fā)階段，在協(xié)作機器人中實際應用較少。總之，本體結構的輕量化設計可以有效提高協(xié)作機器人的操作安全性，但本體結構的柔性化設計在改善協(xié)作機器人的柔順運動性能方面仍然存在很多局限。

因此，研究與應用柔順運動控制方法成為了當前提高協(xié)作機器人柔順運動性能的首要手段。

協(xié)作機器人柔順控制協(xié)作機器人柔性運動控制策略和方案可分為兩種：i）被動柔順性其中，由于機械手結構、伺服或特殊柔順裝置固有的柔順性，末端效應器位置由接觸力自身調節(jié)；ii）主動柔順性其中，通過構造力反饋來實現可編程機器人反應，通過控制交互力或在機器人末端生成特定于任務的順應軌跡來提供柔順性。協(xié)作機器人柔順控制

主動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力和運動進行直接控制，而間接法指的是對力和運動之間的動態(tài)關系進行控制以實現柔順運動。對運動和力進行直接控制的方式，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機器人位置子空間與力子空間的互補性和正交性進行力和位置的解耦控制，也就是在位置子空間進行位置控制，在力子空間進行力控制，主要用于需要精確力控的場合。但實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，不適用于非結構化環(huán)境下的交互協(xié)作。因此，建立在力-運動混合控制基礎上的直接法在協(xié)作機器人柔順運動控制中應用受限。間接法并不直接控制力或位置/速度，而是通過控制交互點處機器人所受外力與運動狀態(tài)之間的動態(tài)關系，使之滿足期望的動態(tài)柔順運動特性，實現對機器人柔順運動性能的控制，并通過改變期望動態(tài)特性以滿足不同交互操作任務的柔順性需求。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而提出，將由交互點處速度到交互力之間的傳遞關系用“阻抗”來描述，這種基于間接方式實現機器人柔順運動控制的方法被稱作阻抗控制。由于阻抗控制能夠確保機器人在受約束環(huán)境中進行操作，同時保持適當的交互力，并且對一些不確定因素和外界干擾具有較強的魯棒性，又在實施時具有較少的計算量，目前被廣泛應用于協(xié)作機器人的柔順運動控制。協(xié)作機器人柔順控制協(xié)作機器人交互環(huán)境分類從是否提供能量來分，可以分為主動環(huán)境和被動環(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；從動力學參數是否變化，可以分為常參數環(huán)境和變參數環(huán)境；從環(huán)境參數是否隨機變化，可以分為確定環(huán)境和隨機變化環(huán)境；從環(huán)境動力學特性，可以分為彈性環(huán)境、塑性環(huán)境和剛性環(huán)境；從機器人-環(huán)境約束特性，可以分為瞬時耦合環(huán)境、松耦合環(huán)境和緊耦合環(huán)境。。。。協(xié)作機器人操作任務分類與這些任務不同的是，許多復雜的先進機器人應用，如裝配和加工，都要求機器人與其他物體進行機械耦合。原則上，可以區(qū)分兩個基本的接觸任務子類。第一種是基本力任務，其本質要求末端執(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，這些任務需要同時控制末端執(zhí)行器的位置和相互作用力。這類任務的典型例子是機械加工過程，如磨削、去毛刺、拋光、彎曲等。在這些任務中，力是操作任務的固有部分，并對其成功實現起決定性作用（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，必須根據某些明確的任務要求控制接觸力。第二種任務的主要重點在于末端運動，該運動必須在受約束曲面附近實現（柔順運動）。這