机器人各种拖动示教方式优劣分析

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  随着我国人口红利的消失,机器人取代工人显得越来越迫切。它在工业生产中所扮演的角色越来越重要。机器人顺利工作前的重要步骤是机器人的示教。目前,机器人的示教工作主要是依赖于工人操作示教器来完成的。然而,这种方式的缺陷很多,如示教效率低,示教过程复杂,并且需要操作员掌握一定的机器人使用知识。

  机器人拖动示教,就是操作员可以直接拖着机器人各关节,运动到理想的姿态,记录之。UR 机器人是较早具有该功能的系统。这种示教方式可以避免传统示教的各种缺点,是机器人中一项很有应用前景的技术。

  目前, 机器人拖动示教根据传感器类型,可分为三大类:

  末端力矩传感器类

  通过在机器人末端安装六维力矩传感器, 控制器可检测出用户施加在该处的外力信息 ( FX,FY,FZ,TX,TY,TZ),再结合阻抗/导纳控制,即可实现机器人的拖动示教。

  这种方式实现起来较为简单,然而质量不好的力传感器零点容易漂,会有安全隐患,而质量稍微好点的力传感器价格贵的要死,甚至比机器人本体还贵。而且,它只支持在传感器安装处的拖动示教,实现方式不灵活。笔者在今年的机器人展上体验过新时达的该类机器人, 拖动中会感觉会偶尔出现跳变,估计是传感器标定等相关的问题造成的。

  关节力矩传感器类

  这种方式的机器人本体结构的特点是在关节处需安装力矩传感器(下图中的弹簧)和双编码器, 组成柔性关节或线弹性驱动器(serial elastic joint)。减速器一般采用刚度较低的谐波减速器。

  传统的工业机器人为了提高位置追踪精度,系统的刚度往往是越大越好。而这类机器人通过降低关节刚度,达到提高力矩检测和控制的灵敏度的目的。 由于关节刚度较低,电机与连杆端的角度不一样,因此需要在连杆端(力矩传感器输出) 再加一个编码器。 目前市面上典型产品有 Kuka 公司与德国宇航局共同研发的几款轻型机械臂和Rethink robotics。

  这种结构的优势是可以精确对系统建模, 提高力矩检测和控制精度,拖动示教也会更轻松更柔顺。 然而, 过高的结构复杂度和成本导致这些机器人的市场接受度较低。

  电流环类

  这种方式不需要在机器人本体上加其余力矩传感器,优势是成本低,结构简单,但手感会比上一种稍微差点。这种方式是目前拖动示教的主流方案, 这种类型的拖动示教,机器人驱动器工作在电流/力矩模式。本文将这类拖动示教根据实现原理,分为开环力控和闭环力控两类。

  开环力控

  这类拖动示教的实现原理很简单,它直接让机器人工作在力矩模式下,电机提供机器人运动所需的重力,摩擦力,惯性力等。这样用户只需很小的外力即可让机器人按照所需的轨迹运动。

  这类开环力控是国内机器人公司的主流选择, 比如固高,珞石机器人和启帆机器人等。技术关键在于建立整个机器人的动力学方程和方程相关参数辨识。

  这次工博会中,笔者有幸亲身体验了部分国产机器人企业的拖动示教,拖动开始端手感上有些不柔顺,开始推动期由于静摩擦力会费力卡顿现象,运动速度会短暂偏大而出现过冲的感觉。在体验的企业中,机器人的动力学方程应该没问题,出现这种状况主要还是在摩擦力上。

  机器人上伺服处于静止状态,此时控制器无法补偿库伦摩擦力, 用户需要克服系统的最大静摩擦力,让关节有细微运动,这样控制器才可以知道库伦摩擦力的方向,并进行补偿。

  下图是笔者实际测试的结果:外力需要增大到 4Nm,才会让电机运动起来。 静摩擦力的存在导致了拖动示教初始推力会较大,这在越大的关节越明显。

  闭环力控

  闭环力控会存在如下一个力反馈回路,它通过算法估计出用户的牵引力矩, 再通过阻抗控制,让电机输出一个辅助力矩,帮助用户拖动机器人,完成示教工作。 由于反馈回路的存在,它对机器人建模和系统辨识的精度要求较低。

  在今年的工博会中,有一家新成立的机器人公司也展示出了他们的拖动示教技术。从亲身体验看,他们的机器人拖动示教更为柔顺, 没有启动时由于减速器静摩擦力带来的卡顿, 手感很好。

  他们的闭环力控已经成功在 25kg的机器人系统上实现。这种机器人前几个关节的静摩擦力达到100多牛米,单纯依靠开环力控,是很难启动的。

  闭环力控的另一大优势是它通过算法改变了机器人的整体动力学特性,可降低机器人与环境交互中的阻抗特性,这也是提出闭环力控的一个初衷。这项技术可在一些对接触力要求较低场合,取代力矩传感器的作用,比如可以用来做柔性装配等。

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