□文/劉立

雙臂協(xié)作機(jī)器人引領(lǐng)中國機(jī)器人新紀(jì)元

□文/劉立

當(dāng)前，隨著人們對工業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)水平要求的不斷提高，迫切的希望機(jī)器人能夠更加像人，并且能夠和人“并肩作戰(zhàn)”。在這一愿景的促使下，雙臂協(xié)作機(jī)器人孕育而生。相比單臂機(jī)器人而言，雙臂協(xié)作機(jī)器人更加的靈巧，并且能夠與人接觸，這無疑是機(jī)器人技術(shù)的重大突破。中國作為機(jī)器人的應(yīng)用大國，必須擁有自主的雙臂機(jī)器人品牌，打破國外機(jī)器人對市場的壟斷，這將會(huì)是未來十年我們所面臨的巨大挑戰(zhàn)，但也是必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

人機(jī)協(xié)作機(jī)器人有什么優(yōu)勢？它能夠發(fā)揮人的特長和機(jī)器的特長。機(jī)器可以不知疲倦地進(jìn)行物理的操作、邏輯推理和思維，人能夠在復(fù)雜的、未知的環(huán)境下做出判斷和決策。協(xié)作體現(xiàn)在信息的交互，通過人和機(jī)器的物理接觸，也通過人機(jī)界面。這種人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的基本操作是什么？

第一是雙臂操作；

第二是人可以引導(dǎo)機(jī)器進(jìn)行操作；

第三是考慮到人和機(jī)器的安全，因?yàn)槭窃谕粋€(gè)狹窄的環(huán)境下一起工作；

第四是我們期待的接觸。就是在機(jī)器人和環(huán)境之間、機(jī)器人的兩個(gè)手臂之間，還有機(jī)器人和人之間。

其中，第四種操作要比現(xiàn)在應(yīng)用的一般工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，所以我們應(yīng)該從系統(tǒng)的規(guī)定、操作、硬件、控制和軟件進(jìn)行全面地設(shè)計(jì)。

機(jī)器人理論走向商業(yè)化

機(jī)器人理論和實(shí)踐的爆發(fā)是從二十世紀(jì)八十年代開始的，包括逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的控制方法、穩(wěn)定性理論、力控制和機(jī)器視覺，這些技術(shù)成功地運(yùn)用到了空間機(jī)器人上。我們做了靈巧臂并于2008年發(fā)射到了軌道，現(xiàn)在它是空中軌道上面運(yùn)行的唯一的一個(gè)靈巧臂，也是雙臂的機(jī)器人，主要是在國際空間站做接觸操作。這個(gè)機(jī)器人非常成功地應(yīng)用了力控制的手段，時(shí)延將近四秒鐘。它完成了國際空間站要求的全部部件更換任務(wù)，并且在2013年第一次對衛(wèi)星加注了1.3升的燃料。加注燃料是世界各國都?jí)粝胪瓿傻囊患?，加拿大政府還在2013年發(fā)布的紙幣上把靈巧機(jī)器人作為背景圖案，這足以說明對靈巧機(jī)器人的重視程度。

“WEE”雙臂協(xié)作機(jī)器人

從2010年開始，北京大學(xué)先進(jìn)智能機(jī)械系統(tǒng)及應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室把空間機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到了醫(yī)療。第一件事，我們把八個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人在多倫多兒童醫(yī)院做小創(chuàng)傷手術(shù)，這也是世界上第一次把成功實(shí)現(xiàn)攝像頭在人的腹內(nèi)移動(dòng)，引導(dǎo)醫(yī)生找到創(chuàng)傷面的手術(shù)。第二件事，就是使用NeuroArm II雙臂機(jī)器人在核磁共振的條件下，外科醫(yī)生對病人的腦部進(jìn)行手術(shù)。這兩個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中運(yùn)用了全自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂妻k法，使機(jī)器人的精度得到大大提高。

二十世紀(jì)九十年代以后，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展主要集中在硬件和通信方面，這使得機(jī)器人有了更好的技術(shù)條件，協(xié)作機(jī)器人開始商業(yè)化，這將對人類生活、工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生很大影響。我們預(yù)測協(xié)作機(jī)器人會(huì)像過去的Cell Phone和Internet一樣對人類產(chǎn)生重大的影響。

以人主導(dǎo)與引導(dǎo)

北京大學(xué)智能機(jī)械系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在過去一年多的時(shí)間里研發(fā)出一款機(jī)器人產(chǎn)品 “WEE”?！癢EE”是一個(gè)雙臂機(jī)器人，它是由兩個(gè)單臂組成，每個(gè)單臂可以獨(dú)立操作，而且每個(gè)單臂由七個(gè)關(guān)節(jié)組成，這個(gè)雙臂機(jī)器人可以有五公斤的負(fù)載。人和機(jī)器人可以共存在同一環(huán)境當(dāng)中，用戶通過界面選擇他所需要的操作模式。這個(gè)機(jī)器人是模塊化的，這表現(xiàn)在機(jī)器上是模塊化的，在電氣上是模塊化的，而且在控制上也是模塊化的，所以它可以拓展到二十個(gè)關(guān)節(jié)，而不需要在系統(tǒng)方面做重新的設(shè)計(jì)。

人機(jī)協(xié)作機(jī)器人有怎樣的技術(shù)要求？什么樣的性能是設(shè)計(jì)者所希望的呢？這個(gè)操作分為綠、黃、橙色三個(gè)區(qū)域。綠色的區(qū)域就是指一般的機(jī)器人，這種機(jī)器人可以自由地移動(dòng)。黃色的區(qū)域指已經(jīng)接近人了，這時(shí)就要小心它會(huì)傷害到人的問題。橙色的區(qū)域就是接觸的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域機(jī)器和人進(jìn)行接觸，和它所要完成的任務(wù)進(jìn)行操作。

我們做這件事情就是靠關(guān)節(jié)控制和任務(wù)控制這樣的阻尼控制，這樣的阻尼是按照不同區(qū)域的要求來進(jìn)行調(diào)整的，而且要有無縫的銜接，就是在機(jī)器人的末端從不同的區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)。同時(shí)，我們還希望機(jī)器人的末端阻尼和剛度都是完全節(jié)偶的，如果在它的末端推它，往哪個(gè)方向用力，機(jī)器人的末端就朝著哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。我們希望機(jī)器人和人接觸的力是很小的。如果機(jī)械臂以每秒兩厘米的速度推進(jìn)，這個(gè)速度對于接觸操作是足夠的。我們檢測到的力不會(huì)大于五牛頓，這是比一般的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人達(dá)到的指標(biāo)都要高得多，甚至要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。機(jī)器人要防止在人和機(jī)械臂之間可能的接觸和碰撞。雙臂操作就像人一樣，雙臂不是獨(dú)立操作的，如果右臂進(jìn)行操作，左臂就可以按照右臂的操作狀況輔助來做。我們希望無論是雙臂還是單臂都要由人作為引導(dǎo)和主導(dǎo)。

雙臂機(jī)器人要具備什么性能？它的力度要小，剛度要節(jié)偶。那么它能不能達(dá)到最極致的位置？也就是說，性能達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)。我們的雙臂機(jī)器人做到了這一點(diǎn)，將力度達(dá)到最小，也實(shí)現(xiàn)了完全的節(jié)偶。理論應(yīng)該有一種協(xié)作機(jī)器人靈巧性的指標(biāo)，而且這個(gè)指標(biāo)和過去人們沿用的普通機(jī)械臂靈巧性的指標(biāo)是有所區(qū)別的。

我們的控制是結(jié)合時(shí)間軌跡和狀態(tài)軌跡，一個(gè)臂跟著另一個(gè)臂動(dòng)作的控制方法。我們要把閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬極致化、最大化，要由用戶來引導(dǎo)單臂和雙臂的操作，兩個(gè)臂之間協(xié)同操作、機(jī)械和人之間的協(xié)同操作。這個(gè)集中點(diǎn)已經(jīng)從一個(gè)機(jī)械臂的一個(gè)末端改為兩個(gè)機(jī)械臂的末端，讓機(jī)械臂和人的手進(jìn)行接觸，除此之外，還有不可預(yù)測的人和機(jī)器人的接觸。

WEE Control就是力作用在這個(gè)機(jī)器人的末端，引入了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，它一定要滿足兩個(gè)條件：第一，臂要非常柔軟；第二，臂的阻尼是完全節(jié)偶的。這兩點(diǎn)，我們都做到了。

人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的全方位應(yīng)用

那么，這個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)有什么應(yīng)用呢？我們到深圳和其它地方做了很多調(diào)查，當(dāng)時(shí)我看到這些應(yīng)用的時(shí)候非常感慨，因?yàn)槲覀儥C(jī)器人的應(yīng)用真的只是在一個(gè)大的領(lǐng)域里面用了一小角，這么多的應(yīng)用都可以用機(jī)器人，特別是人機(jī)協(xié)作的機(jī)器人。

Wave公司是一家做濾波器的公司，公司業(yè)務(wù)主要是要調(diào)節(jié)螺栓的高度，使得它輸出的電頻滿足一定的需要。那么，現(xiàn)在普遍是怎么做的呢？是工人兩只手在調(diào)。這個(gè)勞動(dòng)強(qiáng)度是非常大的，而且工人的工資一定要付得很高人家才會(huì)來。那么，我們就用雙臂機(jī)器人代替這樣一條測試線，把智能化引入進(jìn)來，不需要再看熒光屏了，完全可以靠系統(tǒng)來判斷這個(gè)機(jī)器人應(yīng)該怎樣調(diào)節(jié)螺栓的高度。這里有一個(gè)關(guān)鍵，把第一個(gè)螺栓的高度調(diào)好了，再移到后面幾個(gè)螺栓的時(shí)候，第一個(gè)螺栓的變頻又錯(cuò)了，對于機(jī)器人來說再來一次就可以了，我期望通過這樣的智能機(jī)器人的引入可以給深圳3C的生產(chǎn)線帶來更多的改進(jìn)。

下一個(gè)十年

現(xiàn)在也有很多實(shí)際上沒有被人們認(rèn)識(shí)的機(jī)器人的應(yīng)用，只有這樣雙臂的機(jī)器人才可以處理這樣的柔性負(fù)載，換句話說，一根繩子一塊布，一個(gè)機(jī)器人一條臂能夠做嗎？而兩條臂就很容易。另外就是模塊化的結(jié)構(gòu)，我們可以做二十個(gè)關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，由于機(jī)器人是有很大的冗余度的，就算給了機(jī)器人的本體一個(gè)外力作用，前面的六個(gè)自由度都是可以保持完全不變的。我們的控制技術(shù)可以用來改進(jìn)現(xiàn)在傳統(tǒng)機(jī)器人的瓶頸，比方說焊接機(jī)器人的抖動(dòng)，如果用模型補(bǔ)償了加速度，這些問題是可以解決的。我們的下一個(gè)夢想就是很快地把WEE更加輕型化，來做和人直接的接觸。

現(xiàn)在服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用多數(shù)還是語言和娛樂，如果我們做直接的接觸，那么就會(huì)在力度控制方面積攢下技術(shù)能力。WEE將會(huì)是一個(gè)很好的平臺(tái)，特別是當(dāng)它作為一個(gè)醫(yī)療機(jī)器人時(shí)，它的精度和靈巧性可以通過更多的臂來展現(xiàn)出來，所以我們要推出中國自主產(chǎn)權(quán)的品牌，來抵抗中國機(jī)器人市場完全被國外品牌所占領(lǐng)的現(xiàn)狀，這將是未來十年時(shí)間內(nèi)非常重要的事情。

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