什么是拖動示教？機器人拖動示教方式分析

隨著拖動示教在協(xié)作機器人、并聯(lián)機器人上的應(yīng)用，將調(diào)試技術(shù)趨向快速、簡便的方向發(fā)展，滿足生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用機器人進行及時、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，滿足制造業(yè)日益增長的復(fù)雜性要求。

機器人拖動示教，就是操作員可以直接拖著機器人各關(guān)節(jié)，運動到理想的姿態(tài)，記錄下來。協(xié)作機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，是機器人中一項很有應(yīng)用前景的技術(shù)。

目前拖動示教可以分為兩大方向：增加傳感器類和運用物理學公式類

傳感器類：是在機器人關(guān)節(jié)處安裝力矩傳感器，配合控制器中的算法，操作者牽引機器人末端執(zhí)行器做線性或者旋轉(zhuǎn)的運動，檢測出用戶施加在該處的外力信息的拖動示教。這種方法雖然實現(xiàn)起來較為簡單，但需要額外配置力矩傳感器，增加了機器人的示教成本，并且由于手動強行拖拽，使得機器人的運動顯得十分僵硬，想要獲取特定點還需要傳統(tǒng)的遙控示教盒的輔助。

（1）末端力矩傳感器類

通過在機器人末端安裝六維力矩傳感器， 控制器可檢測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，即可實現(xiàn)機器人的拖動示教。

這種方式實現(xiàn)起來較為簡單，然而質(zhì)量不好的力傳感器零點容易漂，會有安全隱患，而質(zhì)量稍微好點的力傳感器價格貴的要死，甚至比機器人本體還貴。而且，它只支持在傳感器安裝處的拖動示教，實現(xiàn)方式不靈活。筆者在今年的機器人展上體驗過新時達的該類機器人， 拖動中會感覺會偶爾出現(xiàn)跳變，估計是傳感器標定等相關(guān)的問題造成的。

（2）關(guān)節(jié)力矩傳感器類

這種方式的機器人本體結(jié)構(gòu)的特點是在關(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。而這類機器人通過降低關(guān)節(jié)剛度，達到提高力矩檢測和控制的靈敏度的目的。由于關(guān)節(jié)剛度較低，電機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)的幾款輕型機械臂和Rethink robotics。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是可以精確對系統(tǒng)建模， 提高力矩檢測和控制精度，拖動示教也會更輕松更柔順。然而， 過高的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和成本導(dǎo)致這些機器人的市場接受度較低。

物理學公式類：這種方式不需要在機器人本體上加其余力矩傳感器，優(yōu)勢是成本低，結(jié)構(gòu)簡單，但手感會比上一種稍微差點。這種方式是目前拖動示教的主流方案， 這種類型的拖動示教，機器人驅(qū)動器工作在電流/力矩模式。

（1）開環(huán)力控

是更為直接的機器人拖動示教方法，基于力矩控制的零力平衡，即借助機器人的動力學模型，控制器可以實時的算出機器人被拖動時所需要的力矩，然后把提供該力矩給電機使得機器人能夠很好地輔助操作人員進行拖動。

通過逆動力學算得的電機所需要的力矩，其計算公式包括慣性力項、科里奧利力 和離心力項、重力項以及摩擦力項。而當中的根據(jù)選擇的摩擦力模型可以分解為粘性摩擦力項、庫侖摩擦力項以及補償。

不同于傳統(tǒng)阻抗的拖動示教方法，零力控制方法在示教時依靠精確的動力學模型，拖動機器人的摩擦力以及慣性力都的到了相應(yīng)的電機力矩的抵消，使得機器人能夠輕松的拖動，對操作者更友好。同時算法也保證了當外力被撤銷時，機器人能夠迅速的靜止在當前位置，確保了設(shè)備和操作人員的安全。

零力控制拖動示教的另一個優(yōu)勢是，在動力學模型中，各關(guān)節(jié)的力矩是可以單獨控制的，所以機器人的拖動點不再被固定在末端執(zhí)行器上，操作者可以在機器人任意位置去拖動機器人，使操作更加靈活多變。

（2）閉環(huán)力控

閉環(huán)力控會存在如下一個力反饋回路，它通過算法估計出用戶的牽引力矩， 再通過阻抗控制，讓電機輸出一個輔助力矩，幫助用戶拖動機器人，完成示教工作。由于反饋回路的存在，它對機器人建模和系統(tǒng)辨識的精度要求較低。

閉環(huán)力控的另一大優(yōu)勢是它通過算法改變了機器人的整體動力學特性，可降低機器人與環(huán)境交互中的阻抗特性，這也是提出閉環(huán)力控的一個初衷。這項技術(shù)可在一些對接觸力要求較低場合，取代力矩傳感器的作用，比如可以用來做柔性裝配等。