人机协作机器人关键技术之零力控制实现方案对比分析

人机协作机器人关键技术之零力控制实现方案对比分析

无论是十一月初在上海举办的工业博览会抑或十一月中旬在北京举办的世界机器人大会，人机协作机器人作为展会一大亮点着实吸引了不少观众的眼球。甚至有人预言，2016年将是人机协作机器人元年，业内对协作机器人的关注度由此可见一斑。事实上，工业机器人在经历了这么多年的发展之后，如何解决机器人与人近距离相处甚至协同工作的问题确实是下一个技术热点。

直接示教又称手动示教或者拖动示教是人机协作的主要方式之一，即人直接通过手动拖动的方式完成对机器人的示教编程工作。传统的示教方式主要依赖于示教器，而这样的示教方式具有工作效率较低，过程繁琐不直观，对操作人员知识水平要求高的特点。采用直接示教的方式比较直观，且对现场操作人员的要求大大降低。一个良好的直接示教控制方案的实现依赖于零力控制、示教轨迹记录及再现、安全技术等核心技术。

本文主要对零力控制技术做一个简单的介绍，同时对比各类零力控制技术实现方案的优缺点。当前零力控制技术主要有两种实现方式：基于位置控制的零力控制技术和基于直接转矩控制的零力控制技术。

图1 基于力传感器的零力控制方案

 

基于位置控制的零力控制技术，其核心是将外力的大小及方向转换为对应的位置指令，伺服驱动器一般工作在位置模式下，并通过对位置指令的跟踪实现直接示教功能。外力信息的获取主要有两种方式，一种是通过腕部力/力矩传感器抑或关节力矩传感器实现对外力的检测，如图 1所示；另一种是采用估计的方法，将反馈力矩与经动力学模型计算的力矩做差，该差值即为所估计外力的大小。采用传感器的实现方案，相对于采用估计的方案，其优点是：

1. 能够比较精确地检测外力的大小，系统的灵敏度较高；

2. 由于有传感器作为外部绝对反馈，系统稳定性有更好的保证。

其缺点是：

1. 采用了力传感器，提高了系统的成本；

2. 即使是采用了力传感器，若是关节力传感器，则需对关节重力进行补偿以提取出外力信息，若是末端腕部力/力矩传感器，仍需对末端重力补偿以提取末端所受外力信息，系统复杂性仍较高；

3. 可以预见的是，虽然直接示教模式下，机器人不会运动过快，但若机器人加速度较大，尤其是针对那些轻量型机器人，传感器所检测的力矩信息就不仅限于重力信息，也包括惯性力甚至科里奥利力和离心力，此种情况下，很难有效地将外力从这些复合的力信息中提取出来，力传感器的作用也就大大被弱化了；

4. 示教系统性能的优良受限于传感器的性能，如温漂特性，灵敏度，抗噪性等。

以估计的方式获取外力信息的方案，其优点是由于未采用传感器，降低了系统的成本。但是，它却有如下缺点：

1. 外力估计的准确性完全依赖于动力学模型的精确性，想要获取精确的动力学模型十分困难；

2. 外力估计的正确性无法保证，虽然动力学模型（刚体动力学）能在较大程度上反映机器人系统的动态特征，但动力学的本质仍是将机器人系统看成一个二阶物理系统，它无法定量表示包括机械柔性，甚至还有一些非动力学因素，如装配问题、磨损问题在内的影响，因此仅以动力学模型作为外力估计的根本模型，所估计的外力甚至连正确性都无法得到保证；

3. 系统的稳定性难以保证，由于完全没有外部信息作为反馈，系统无法闭环。

图2 基于直接转矩控制的零力控制技术

 

基于直接转矩控制的零力控制技术，其原理是通过计算各关节对应的重力及摩擦力，伺服控制器工作在转矩控制模式下，通过控制各关节伺服驱动器输出对应大小的力矩，则机器人在外力的作用下克服惯性力而即可运动，如图 2所示。相对于基于位置控制的零力控制技术，这样的实现方案有以下优点：

1. 由于仅需要对重力和摩擦力做补偿，降低了系统的成本和复杂性；

2. 不易受系统非动力学特性的影响；

3. 计算量小。

其缺点主要有：

1. 由于是直接对力矩进行控制，系统对位置环路和速度环路的保护被弱化，如故障状态下急停的处理。系统安全性设计困难提高。

2. 受机器人惯性大小影响明显，由于外力需要克服惯性力而运动，对于那些惯性较大的机器人，需要的外力也就越大。

通过上述对比可以看出，无论采用哪种实现方案，都存在这样或那样的缺点，在构建实际的零力控制系统时，需多方权衡。