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工業(yè)機(jī)器人示教的分類及特點(diǎn)

隨著機(jī)器人技術(shù)的日益成熟以及應(yīng)用的不斷普及，機(jī)器人正逐漸融入社會(huì)生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面，并發(fā)揮越來(lái)越不可替代的作用。在“工業(yè)4.0”和 “中國(guó)制造 2025”的背景下，為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)快速多變的特點(diǎn)以及滿足日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性要求，機(jī)器人不僅要能長(zhǎng)期穩(wěn)定地完成重復(fù)工作，還要具備智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放性、人機(jī)友好性的特點(diǎn)。作為工業(yè)機(jī)器人繼續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新的一個(gè)重要方面，示教技術(shù)正在向利于快速示教編程和增強(qiáng)人機(jī)協(xié)作能力的方向發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人示教就是編程者采用各種示教方法事先“告知”機(jī)器人所要進(jìn)行的動(dòng)作信息和作業(yè)信息等。這些信息大致分為三類：機(jī)器人位置和姿態(tài)信息，軌跡和路徑點(diǎn)等的信息；機(jī)器人任務(wù)動(dòng)作順序信等的息；機(jī)器人動(dòng)作、作業(yè)時(shí)的附加條件等的信息，機(jī)器人動(dòng)作的速度和加速度等信息和作業(yè)內(nèi)容信息等。圖1所示為機(jī)器人示教方法的分類。圖1. 機(jī)器人示教方法分類實(shí)際應(yīng)用最多的傳統(tǒng)的示教盒示教要求操作者具有一定的機(jī)器人技術(shù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，示教效率較低。與示教盒示教相比，直接示教法可以無(wú)需操作者掌握任何機(jī)器人知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單且快速，極大地提高了示教的友好性、高效性。圖2為啟帆設(shè)計(jì)的機(jī)器人示教盒以及對(duì)應(yīng)的三維實(shí)時(shí)控制軟件。圖2. 機(jī)器人示教方法分類直接示教控制方法當(dāng)前主流的機(jī)器人直接示教控制方法可以分為兩類：第一類是基于位置控制或者阻抗控制的直接示教方法。第二類是基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教（有動(dòng)力學(xué)模型）。以下內(nèi)容為學(xué)術(shù)干貨，請(qǐng)劃重點(diǎn) 基于位置控制的直接示教傳統(tǒng)的拖動(dòng)示教依賴于外置于機(jī)器人的多維操作傳感器，利用該傳感器獲取的信息，牽引機(jī)器人末端在笛卡爾空間下做線性或者旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。圖3為基于多維傳感器的位置控制的直接示教圖3. 基于多維傳感器的位置控制的直接示教圖4. 基于多維傳感器的位置控制的直接示教的控制方法此類基于位置控制的拖動(dòng)示教方法都無(wú)法回避兩個(gè)問(wèn)題。一個(gè)是由于額外的多維傳感器的配置，增加了機(jī)器人的生產(chǎn)成本。另一個(gè)是由于多維傳感器只能控制機(jī)器人末端的笛卡爾空間，所以無(wú)法很好地控制單軸的運(yùn)動(dòng)，使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)顯得十分僵硬，不利于真正的拖動(dòng)示教變成，尤其是要微調(diào)到特定的點(diǎn)的時(shí)候，可能還需要傳統(tǒng)的遙控示教盒的輔助。基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教這是一種更為直接的機(jī)器人拖動(dòng)示教方法，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)。力矩的計(jì)算如下列公式所示：其中公式中的是通過(guò)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(kù)侖摩擦力項(xiàng)以及補(bǔ)償。不同于傳統(tǒng)的基于位置或者阻抗的拖動(dòng)示教方法，零力控制方法對(duì)操作者更加的友好。在精確的動(dòng)力學(xué)模型的幫助下，拖動(dòng)機(jī)器人時(shí)要克服的機(jī)器人自身重力，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)。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，保證設(shè)備和操作人員的安全。另一個(gè)基于零力控制拖動(dòng)示教帶來(lái)的優(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)不再被固定在機(jī)器人末端或者多維傳感器上，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。啟帆工業(yè)機(jī)器人的拖動(dòng)示教技術(shù) 針對(duì)當(dāng)前的主流應(yīng)用需要，啟帆已開(kāi)發(fā)出能夠應(yīng)用于不同型號(hào)機(jī)器人上的拖動(dòng)示教技術(shù)。該技術(shù)以基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)傳感器（sensorless）的基于力矩控制的零力平衡拖動(dòng)示教。這種拖動(dòng)示教方法，除了具備上述的基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教外，還有著一個(gè)最主要的優(yōu)勢(shì)，就是無(wú)需外加關(guān)節(jié)力矩傳感器，降低了實(shí)現(xiàn)的成本，同時(shí)也保證了算法的通用性。

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