什么是拖動(dòng)示教？機(jī)器人拖動(dòng)示教方式分析

隨著拖動(dòng)示教在協(xié)作機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人上的應(yīng)用，將調(diào)試技術(shù)趨向快速、簡(jiǎn)便的方向發(fā)展，滿足生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行及時(shí)、高效的生產(chǎn)需求，以及在工業(yè)4.0和“中國制造 2025”的背景下，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)快速多變的特點(diǎn)，滿足制造業(yè)日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性要求。

機(jī)器人拖動(dòng)示教，就是操作員可以直接拖著機(jī)器人各關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)到理想的姿態(tài)，記錄下來。協(xié)作機(jī)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(diǎn)，是機(jī)器人中一項(xiàng)很有應(yīng)用前景的技術(shù)。

目前拖動(dòng)示教可以分為兩大方向：增加傳感器類和運(yùn)用物理學(xué)公式類

傳感器類：是在機(jī)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(jī)器人末端執(zhí)行器做線性或者旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)出用戶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(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單，但需要額外配置力矩傳感器，增加了機(jī)器人的示教成本，并且由于手動(dòng)強(qiáng)行拖拽，使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)顯得十分僵硬，想要獲取特定點(diǎn)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(jī)器人末端安裝六維力矩傳感器， 控制器可檢測(cè)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的拖動(dòng)示教。

這種方式實(shí)現(xiàn)起來較為簡(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(jī)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(xiàn)方式不靈活。筆者在今年的機(jī)器人展上體驗(yàn)過新時(shí)達(dá)的該類機(jī)器人， 拖動(dòng)中會(huì)感覺會(huì)偶爾出現(xiàn)跳變，估計(jì)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(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在關(guān)節(jié)處需安裝力矩傳感器和雙編碼器， 組成柔性關(guān)節(jié)或線彈性驅(qū)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(tǒng)的工業(yè)機(jī)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(jī)器人通過降低關(guān)節(jié)剛度，達(dá)到提高力矩檢測(cè)和控制的靈敏度的目的。由于關(guān)節(jié)剛度較低，電機(jī)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(jī)械臂和Rethink robotics。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是可以精確對(duì)系統(tǒng)建模， 提高力矩檢測(cè)和控制精度，拖動(dòng)示教也會(huì)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(jī)器人的市場(chǎng)接受度較低。

物理學(xué)公式類：這種方式不需要在機(jī)器人本體上加其余力矩傳感器，優(yōu)勢(shì)是成本低，結(jié)構(gòu)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， 這種類型的拖動(dòng)示教，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器工作在電流/力矩模式。

（1）開環(huán)力控

是更為直接的機(jī)器人拖動(dòng)示教方法，基于力矩控制的零力平衡，即借助機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，控制器可以實(shí)時(shí)的算出機(jī)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(jī)使得機(jī)器人能夠很好地輔助操作人員進(jìn)行拖動(dòng)。

通過逆動(dòng)力學(xué)算得的電機(jī)所需要的力矩，其計(jì)算公式包括慣性力項(xiàng)、科里奧利力 和離心力項(xiàng)、重力項(xiàng)以及摩擦力項(xiàng)。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(xiàng)、庫侖摩擦力項(xiàng)以及補(bǔ)償。

不同于傳統(tǒng)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(jī)器人的摩擦力以及慣性力都的到了相應(yīng)的電機(jī)力矩的抵消，使得機(jī)器人能夠輕松的拖動(dòng)，對(duì)操作者更友好。同時(shí)算法也保證了當(dāng)外力被撤銷時(shí)，機(jī)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(dòng)示教的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在動(dòng)力學(xué)模型中，各關(guān)節(jié)的力矩是可以單獨(dú)控制的，所以機(jī)器人的拖動(dòng)點(diǎn)不再被固定在末端執(zhí)行器上，操作者可以在機(jī)器人任意位置去拖動(dòng)機(jī)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，它通過算法估計(jì)出用戶的牽引力矩， 再通過阻抗控制，讓電機(jī)輸出一個(gè)輔助力矩，幫助用戶拖動(dòng)機(jī)器人，完成示教工作。由于反饋回路的存在，它對(duì)機(jī)器人建模和系統(tǒng)辨識(shí)的精度要求較低。

閉環(huán)力控的另一大優(yōu)勢(shì)是它通過算法改變了機(jī)器人的整體動(dòng)力學(xué)特性，可降低機(jī)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(xiàng)技術(shù)可在一些對(duì)接觸力要求較低場(chǎng)合，取代力矩傳感器的作用，比如可以用來做柔性裝配等。