各種拖動示教技術的主要區別在哪裡？

15 人贊了文章

目前，人機協作概念炒的火熱，各大機器人廠商紛紛推出自己的協作型機器人，雖然各種協作型機器人的技術參差不齊，但拖動示教功能逐漸成為協作型機器人的標配，似乎沒有拖動示教功能的機器人都不好意思稱為協作型機器人。許多研究者紛紛對拖動示教產生了極大熱情，在進行成果展示時，能夠徒手牽著機械臂到處走似乎非常拉風。那麼，拖動示教是如何實現的呢？

其實，並不難。筆者對常見的幾種方法進行了梳理

1.基於六維力感測器的拖動示教（導納方法）

拖動示教的重點不在於示教，而在於「拖」。如何能夠使人輕柔而洒脫地牽著機械臂呢？最容易的辦法就是使用六維力感測器，把這種感測器裝在機械臂末端，就可以把機械臂末端受力進行實時反饋。那麼如何用六維力感測感測器實現拖動示教呢？只要一個公式：

表示六維力感測器採集的力信號， 表示位置的增量， 是自己設定的係數， 越大，手感越「輕」。將末端受到的力變成位置的增量，作為控制量按周期下發，就可以實現拖動示教，什麼機器人動力學模型、重力補償統統不需要。由於感測器外置與機械臂末端，因此，這種方法的另一個好處是不需要對力感測器在機構設計上做過多的考量，包括傳統的工業機器人在內的所有機械臂都可以用這種方法實現拖動示教。據筆者觀察，國內90％的拖動示教都是用這種簡單且抓眼球的方法實現的，具體實現效果見下圖：

那麼這種依靠六維力感測器實現拖動示教的方法有什麼缺點呢？最主要的問題就是力感知區域的局限性，力的感知區域僅局限於機械臂末端。外邊噹啷根電線是不是也怪low的呢？另外，這種方法實現起來手感也很一般，主要感覺是「鈍」，原因主要在於控制量是位置，而位置控制帶寬較低，響應較慢。

2.基於重力補償、摩擦力補償的無力感測器方法

機器人工作在電流（力矩）模式，用電流把重力補償了，機器人就會保持在任意姿態；把摩擦力補償了，機器人手感就會很輕。並且，不需要任何力感測器，便宜。看起來很美，筆者在實驗室中對這類方法開始研究，實驗效果如下圖：

該實驗中，重力被精確補償，可以看到，人把機械臂停在某一位姿下鬆手，機械臂不會下墜，而摩擦力也被補償，牽引起來不是十分費力。但有個問題是，中間和靠近末端的關節幾乎不動，為什麼會這樣？

因為靜摩擦，對於一個機械臂關節來說，通常由電機和減速器構成，電機端的靜摩擦力經過減速器後在連桿端被放大，即便電機處於無伺服狀態，人也很難克服靜摩擦力擰動關節，而在無力感測器情況下，靜摩擦力無法觀測，進而無法補償，因此，使用者想拖動機械臂必須克服靜摩擦。對於整個機械臂，靜摩擦小，距離牽引點較遠的關節容易牽引，而靜摩擦大或離牽引點較近的關節，幾乎不動。所以會出現視頻中有些關節動作大，有些關節幾乎不動的情況。

3.基於關節扭矩感測器的拖動示教方法

上述兩種方法都存在明顯弊端，那麼業內較為出色的拖動示教（KUKA iiwa）是怎麼做的呢？答案是，關節扭矩感測器。不花血本，就難以獲得好的效果，讓機械臂來次重頭到腳的變化吧！

扭矩感測器如下圖所示，只對產生才感測器輸入端和輸出端的扭矩進行測量，基於關節扭矩感測器的方法需要對機器人關節在機構上進行設計，扭矩感測器設計到關節內部。

有了它，就可以做力矩的閉環控制了，在拖動示教中，力閉環控制主要用於減少電機慣量與摩擦力帶給人的「沉重感」，直接上實驗視頻：

這種方法最主要優勢是：1. 機械臂整臂具有力感知能力，可牽引機械臂任意部位；

2. 力閉環響應遠比位置閉環快，牽引效果好於使用六維力感測器的方法；

3. 不需要獲取摩擦力模型，削弱摩擦力的影響好於第二種方法；

整臂的實驗視頻由於各種原因就不放上來了，以後有機會補上，第三種方法的難點是關節內部必須有力矩感測器，並且，帶有力矩感測器的機械臂產品（如KUKA iiwa），其底層控制是不開放的，因此，想試一試第三種方法，只有自己做一個機械臂了。

啰嗦至此，歡迎討論！