动力学应用之一：拖动示教

随着机器人技术的日益成熟以及应用的不断普及，机器人正逐渐融入社会生产、生活的各个方面，并发挥越来越不可替代的作用。在“工业 4.0” 和 “中国制造 2025”的背景下，为了适应现代工业快速多变的特点以及满足日益增长的复杂性要求，机器人不仅要能长期稳定地完成重复工作，还要具备智能化、网络化、开放性、人机友好性的特点。作为工业机器人继续发展与创新的一个重要方面，示教技术正在向利于快速示教编程和增强人机协作能力的方向发展。

工业机器人示教就是编程者采用各种示教方法事先“告知”机器人所要进行的动作信息和作业信息等。这些信息大致分为三类：机器人位置和姿态信息，轨迹和路径点等的信息；机器人任务动作顺序信等的息；机器人动作、作业时的附加条件等的信息，机器人动作的速度和加速度等信息和作业内容信息等。图1所示为机器人示教方法的分类。

图1. 机器人示教方法分类

实际应用最多的传统的示教盒示教要求操作者具有一定的机器人技术知识和经验，示教效率较低。与示教盒示教相比，直接示教法可以无需操作者掌握任何机器人知识及经验，操作简单且快速，极大地提高了示教的友好性、高效性。图2为启帆设计的机器人示教盒以及对应的三维实时控制软件。

图2. 机器人示教方法分类

直接示教控制方法

当前主流的机器人直接示教控制方法可以分为两类：第一类是基于位置控制或者阻抗控制的直接示教方法。第二类是基于力矩控制的零力平衡的机器人直接示教（有动力学模型）。

以下内容为学术干货，请划重点

基于位置控制的直接示教

传统的拖动示教依赖于外置于机器人的多维操作传感器，利用该传感器获取的信息，牵引机器人末端在笛卡尔空间下做线性或者旋转的运动。图3为基于多维传感器的位置控制的直接示教

图3. 基于多维传感器的位置控制的直接示教

直接示教工作示意

这种拖动示教方法的控制系统如图4所示

图4. 基于多维传感器的位置控制的直接示教的控制方法

此类的基于位置控制的拖动示教方法都无法回避两个问题。一个是由于额外的多维传感器的配置，增加了机器人的生产成本。另一个是由于多维传感器只能控制机器人末端的笛卡尔空间，所以无法很好地控制单轴的运动，使得机器人的运动显得十分僵硬，不利于真正的拖动示教变成，尤其是要微调到特定的点的时候，可能还需要传统的遥控示教盒的辅助。

基于力矩控制的零力平衡的机器人直接示教

这是一种更为直接的机器人拖动示教方法，借助机器人的动力学模型，控制器可以实时的算出机器人被拖动时所需要的力矩，然后把提供该力矩给电机使得机器人能够很好地辅助操作人员进行拖动。力矩的计算如下列公式所示：

其中

公式中的是通过逆动力学算得的电机所需要的力矩，其计算公式包括惯性力项、 科里奥利力 和离心力项、重力项 以及摩擦力项。而当中的根据选择的摩擦力模型可以分解为粘性摩擦力项、库仑摩擦力项以及补偿。

不同于传统的基于位置或者阻抗的拖动示教方法，零力控制方法对操作者更加的友好。在精确的动力学模型的帮助下，拖动机器人时要克服的机器人自身重力，摩擦力以及惯性力都的到了相应的电机力矩的抵消，使得机器人能够轻松的拖动。 同时，算法也保证了当外力被撤销时，机器人能够迅速的静止在当前位置，保证设备和操作人员的安全。

另一个基于零力控制拖动示教带来的优势是，在动力学模型中，各关节的力矩是可以单独控制的，所以机器人的拖动点不再被固定在机器人末端或者多维传感器上，操作者可以在机器人任意位置去拖动机器人，使操作更加灵活多变。

启帆工业机器人的拖动示教技术

针对当前的主流应用需要，启帆已开发出能够应用于不同型号机器人上的拖动示教技术。该技术以基于力矩控制的零力平衡的机器人直接示教为基础，实现了无传感器（sensorless）的基于力矩控制的零力平衡拖动示教。

这种拖动示教方法，除了具备上述的基于力矩控制的零力平衡的机器人直接示教外，还有着一个最主要的优势，就是无需外加关节力矩传感器，降低了实现的成本，同时也保证了算法的通用性。

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