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

作者: DANBACH 時間:2017-03-02 來源:丹巴赫機(jī)器人
摘要: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,我們迫切的希望機(jī)器人能夠更加的像人,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...

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,我們迫切的希望機(jī)器人能夠更加的像人,并且能夠和人“并肩作戰(zhàn)”。在這愿景的促使下,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。中作為機(jī)器人的應(yīng)用大,必須擁有自主的雙臂機(jī)器人品牌,打破外機(jī)器人對市場的壟斷,這將會是未來十年我們所面臨的巨大的挑戰(zhàn),但也是必須實現(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?
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,因為是在同個狹窄的環(huán)境之下起工作;
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。
機(jī)器人理論走向商業(yè)化
機(jī)器人理論和實踐的爆發(fā)是從八十年代開始的,包括逆運(yùn)動學(xué)和動力學(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)器人上面。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)行的唯獨(dú)的個靈巧臂,也是雙臂的機(jī)器人,主要是在際空間站做接觸操作。這個機(jī)器人非常成功地應(yīng)用了力控制的手段,時延將近四秒鐘。它完成了際空間站要求的全部部件更換任務(wù),并且在2013年的時候次對衛(wèi)星加注了1.3升的燃料。加注燃料是世界各都在夢想完成件事情,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。
從2010年開始,我們團(tuán)隊把空間機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用到了醫(yī)療上面。件事,就是我們使用的是八個關(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),這也是世界上次把成功實現(xiàn)攝像頭在人的腹內(nèi)移動,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)。這兩個項目當(dāng)中運(yùn)用了全自適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂妻k法,使機(jī)器人的精度得到大大提高。

九十年代以后,新的發(fā)展主要是集中在硬件和通訊方面,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,這將對人類的生活、工業(yè)發(fā)生很大的影響。我們可以預(yù)測,這會像過去的Cell Phone和Internet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)實驗室在過去年多的時間里研發(fā)出款機(jī)器人產(chǎn)品 “WEE”。“WEE”是個雙臂機(jī)器人,它是由兩個單臂組成,每個單臂可以獨(dú)立操作,而且每個單臂由七個關(guān)節(jié)組成,這個雙臂機(jī)器人可以有五公斤的負(fù)載。人和機(jī)器人可以共存在同個環(huán)境當(dāng)中,用戶可以通過界面選擇他所需要的操作模式。這個機(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關(guān)節(jié),而不需要在系統(tǒng)方面做重新的設(shè)計。

人機(jī)協(xié)作機(jī)器人有什么樣的技術(shù)要求?什么樣的性能是設(shè)計者所希望的呢?這個操作分為綠、黃、橙色三個區(qū)域。綠色的區(qū)域就是指般的機(jī)器人,這種機(jī)器人可以自由地移動。黃色的區(qū)域指已經(jīng)接近人了,這個時候就要小心它會人傷害到人的問題。橙色的區(qū)域就是接觸的區(qū)域,這個區(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,而且我們要有無縫的銜接,就是在機(jī)器人的末端從不同的區(qū)域進(jìn)行移動。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,換句話說,如果在它的末端推它,往哪個方向用力,機(jī)器人的末端就朝著哪個方向運(yùn)動。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),這個速度對于接觸操作是足夠的。我們檢測到的力不會大于五牛頓,這是比般的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人達(dá)到的指標(biāo)都要高得多,甚至要高出個數(shù)量。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)。
我還希望雙臂機(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)到致的位置?也就是說,性能達(dá)到個臨界點。我們的雙臂機(jī)器人做到了這點,將力度達(dá)到小,也實現(xiàn)了完全的節(jié)偶。理論應(yīng)該有種協(xié)作機(jī)器人靈巧性的指標(biāo),而且這個指標(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)合時間軌跡和狀態(tài)軌跡,個臂跟著另個臂動作的控制方法。我們要把閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬致化、大化,要用用戶來引導(dǎo)單臂和雙臂的操作,兩個臂之間協(xié)同操作、機(jī)械和人之間的協(xié)同操作。這個集中點已經(jīng)從個機(jī)械臂的個末端改為兩個機(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就是力作用在這個機(jī)器人的末端,引入了機(jī)械臂的運(yùn)動,它定要滿足兩個條件:,臂要非常柔軟;第二。臂的阻尼是完全節(jié)偶的。這兩點,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接近的調(diào)查,當(dāng)時我看到這些應(yīng)用的時候非常感慨,因為我們機(jī)器人的應(yīng)用真的只是在個大的領(lǐng)域里面用了小角,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)器人做到。
我們了解了叫Wave公司,他們在做濾波器,就是要調(diào)節(jié)螺栓的高度,使得它輸出的電頻滿足定的需要。那么,現(xiàn)在普遍是怎么做的呢?是工人兩只手在調(diào)。這個勞動強(qiáng)度是非常高的,而且工人的工資定要付得很高人才會來。那么,我們就用雙臂機(jī)器人代替這樣條測試線,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)來判斷這個機(jī)器人應(yīng)該怎樣調(diào)節(jié)螺栓的高度。這里有個關(guān)鍵,把個螺栓的高度調(diào)好了,再移到后面幾個螺栓的時候,個螺栓的變頻又錯了,對于機(jī)器人來說再來次就可以了,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)。
下個十年
現(xiàn)在也有很多實際上沒有被人們認(rèn)識的機(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,根繩子塊布,個機(jī)器人條臂能夠做嗎?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)器人的本體個外力作用,前面的六個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,如果用模型補(bǔ)償了加速度,這些問題都是可以解決的。我們的下個夢想就是很快地把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,那么就會在力度控制方面積攢下技術(shù)能力。WEE將會是個很好的平臺,特別是當(dāng)它作為個醫(yī)療機(jī)器人時,它的精度和靈巧性可以通過更多的臂來展現(xiàn)出來,所以我們要推出中自主產(chǎn)權(quán)的品牌,來抵抗中機(jī)器人市場完全被外品牌所占領(lǐng),這將是未來十年的時間內(nèi)非常重要的事情。

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