协作机器人-感知、交互、操作与控制技术 课件 -1-基础理论

协作机器人基础理论什么是协作机器人？协作机器人指的是一种能够在共享工作空间中实现物理人–机器人交互并执行协作任务的机器人系统。协作机器人正逐渐融入人类社会，与人类、其他机器人或非结构化环境等进行密切和复杂的交互。协作机器人是下一代机器人的重要发展方向，其柔顺控制技术对于实现安全稳定的协作交互至关重要。典型协作机器人典型工业机器人协作机器人特点传统机器人大规模重复生产简单繁重劳动生产环境隔离智能感知人机协作环境共融传统工业机器人缺乏感知能力，柔顺性和安全性不足，无法适应新的工作模式；协作机器人实现环境共融是未来机器人应用的主要形式，机器人的安全性和可操作性是协作机器人发展的核心需求；环境感知和交互行为控制是应对这一要求的关键技术。协作机器人协作机器人特点人机协作装配喷涂搬运医疗康复拟人操作传统工业机器人协作机器人环境感知技术：力觉感知，视觉感知，环境建模，场景理解等交互控制技术：力位混合控制，阻抗控制，动态行为控制等

外力感知和交互控制是协作机器人非常重要的共性核心功能。协作机器人特点1、协作机器人通常具有质量轻、安全性高、对环境的感知适应性好，人机交互能力强等优点，能够满足任务多样性和环境复杂性的要求，用于执行与未知环境和人发生交互作用的操作任务；2、为了实现同外界环境和人的安全交互与协作，协作机器人既需要具有轻量化的机械本体结构，还必须具备柔顺运动性能。协作机器人分类按用途分类协作机器人按用途可分为工业协作机器人、服务协作机器人、医疗协作机器人、特种协作机器人等。按构型分类固定式协作机器人、移动式协作机器人、车臂复合型协作机器人、无人机——机械臂复合型协作机器人等。按负载分类5kg负载、10kg负载等。按人机距离分类人机共生型协作机器人、人机近距离协作机器人、人机远程协作机器人。协作机器人的想法起源于1995年GMMotorFoundation赞助的一个项目，旨在研究如何辅助装配线上的操作人员更好地完成装配作业。研究人员提出采用机器人辅助操作并找出使其足够安全的方法，以便机器人能与工人协同工作。1996年，美国西北大学的Colgate教授和Peshkin教授发表论文首次提出了协作机器人概念。但是协作机器人快速发展则是始于2005年由欧盟第六框架计划资助的SME（SmallandMedium-sizedEnterprises）机器人项目，并持续得到第七框架计划资助，ABB、KUKA等机器人厂商均参加了该项目。目前世界领先的协作机器人有优傲（UniversalRobots）公司的UR3、UR5、UR10，KUKA公司的LBRiiwa，ABB公司的双臂协作机器人YuMi，FANUC公司的CR系列机器人，以及Rethink公司的Baxter和Sawyer。国外协作机器人发展情况

近年来在国家相关政策的大力支持下，国内协作机器人应用得到了良好的发展，国内市场上也涌现出大批国产协作机器人。国产协作机器人发展情况《“十四五”机器人产业发展规划》明确指出，研制面向3C、汽车零部件等领域的大负载、轻型、柔性、双臂、移动等协作机器人。未来，随着技术的持续迭代创新，协作机器人将实现更加灵活而广泛的应用。协作机器人本体结构其驱动关节普遍采用了高转矩密度的永磁力矩电机结合谐波减速器的传动方案，以提高机器人的载荷/自重比，如德国宇航中心（DLR）研制的轻型机器人LWR及其与KUKA合作的商业产品iiwa机器人、丹麦UniversalRobots公司的UR机器人、德国Franka公司的FrankaEmika机器人、国内遨博智能公司的AUBO-i系列机器人等。为了提高协作机器人的本体柔性及其力控性能，一部分协作机器人通过在其关节传动链中串联一个弹性元件而构成串联弹性致动器（SEA），如Rethink公司所研发的Sawyer与Baxter。串联弹性致动器虽然有利于提高机器人运动的柔顺性，但由于系统的结构刚度低，反过来制约了其运动控制带宽和精度，使之应用受限。为了兼顾协作机器人的柔顺性能和定位精度，在驱动关节中增加一个专门设计的变刚度装置成为了一个新的研究热点，代表性工作包括Tonietti研制的变刚度致动器（VSA），德国宇航中心研制的变刚度关节VS-Joint，意大利IIT的DarwinG.Caldwell教授等人先后研制的变刚度执行机构等。

这些结构虽然能够在不同程度上改变关节的刚度，但却显著增加了关节的重量、结构复杂性以及控制难度，目前仍处于研发阶段，在协作机器人中实际应用较少。总之，本体结构的轻量化设计可以有效提高协作机器人的操作安全性，但本体结构的柔性化设计在改善协作机器人的柔顺运动性能方面仍然存在很多局限。

因此，研究与应用柔顺运动控制方法成为了当前提高协作机器人柔顺运动性能的首要手段。

协作机器人柔顺控制协作机器人柔性运动控制策略和方案可分为两种：i）被动柔顺性其中，由于机械手结构、伺服或特殊柔顺装置固有的柔顺性，末端效应器位置由接触力自身调节；ii）主动柔顺性其中，通过构造力反馈来实现可编程机器人反应，通过控制交互力或在机器人末端生成特定于任务的顺应轨迹来提供柔顺性。协作机器人柔顺控制

主动柔顺控制方法可大致分为直接法和间接法两大类，直接法指的是分别对力和运动进行直接控制，而间接法指的是对力和运动之间的动态关系进行控制以实现柔顺运动。对运动和力进行直接控制的方式，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，这种方法基于交互操作时机器人位置子空间与力子空间的互补性和正交性进行力和位置的解耦控制，也就是在位置子空间进行位置控制，在力子空间进行力控制，主要用于需要精确力控的场合。但实施该方法的前提条件是已知交互操作所需的力和位置轨迹，不适用于非结构化环境下的交互协作。因此，建立在力-运动混合控制基础上的直接法在协作机器人柔顺运动控制中应用受限。间接法并不直接控制力或位置/速度，而是通过控制交互点处机器人所受外力与运动状态之间的动态关系，使之满足期望的动态柔顺运动特性，实现对机器人柔顺运动性能的控制，并通过改变期望动态特性以满足不同交互操作任务的柔顺性需求。这种控制方式最早由Hogan于1985年借鉴电路中阻抗的概念和特点而提出，将由交互点处速度到交互力之间的传递关系用“阻抗”来描述，这种基于间接方式实现机器人柔顺运动控制的方法被称作阻抗控制。由于阻抗控制能够确保机器人在受约束环境中进行操作，同时保持适当的交互力，并且对一些不确定因素和外界干扰具有较强的鲁棒性，又在实施时具有较少的计算量，目前被广泛应用于协作机器人的柔顺运动控制。协作机器人柔顺控制协作机器人交互环境分类从是否提供能量来分，可以分为主动环境和被动环境；从环境位置是否变化，可以分为常位置环境和变位置环境；从动力学参数是否变化，可以分为常参数环境和变参数环境；从环境参数是否随机变化，可以分为确定环境和随机变化环境；从环境动力学特性，可以分为弹性环境、塑性环境和刚性环境；从机器人-环境约束特性，可以分为瞬时耦合环境、松耦合环境和紧耦合环境。。。。协作机器人操作任务分类与这些任务不同的是，许多复杂的先进机器人应用，如装配和加工，都要求机器人与其他物体进行机械耦合。原则上，可以区分两个基本的接触任务子类。第一种是基本力任务，其本质要求末端执行器与环境建立物理接触并施加特定于过程的力。一般来说，这些任务需要同时控制末端执行器的位置和相互作用力。这类任务的典型例子是机械加工过程，如磨削、去毛刺、抛光、弯曲等。在这些任务中，力是操作任务的固有部分，并对其成功实现起决定性作用（如金属切削或塑性变形）。为了防止工具在操作过程中过载或损坏，必须根据某些明确的任务要求控制接触力。第二种任务的主要重点在于末端运动，该运动必须在受约束曲面附近实现（柔顺运动）。这