隨著機(jī)器人技術(shù)的日益成熟以及應(yīng)用的不斷普及，機(jī)器人正逐漸融入社會生產(chǎn)、生活的各個方面，并發(fā)揮越來越不可替代的作用。在“工業(yè)4.0”和 “中國制造 2025”的背景下，為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)快速多變的特點(diǎn)以及滿足日益增長的復(fù)雜性要求，機(jī)器人不僅要能長期穩(wěn)定地完成重復(fù)工作，還要具備智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性、人機(jī)友好性的特點(diǎn)。作為工業(yè)機(jī)器人繼續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新的一個重要方面，示教技術(shù)正在向利于快速示教編程和增強(qiáng)人機(jī)協(xié)作能力的方向發(fā)展。

工業(yè)機(jī)器人示教就是編程者采用各種示教方法事先“告知”機(jī)器人所要進(jìn)行的動作信息和作業(yè)信息等。這些信息大致分為三類：機(jī)器人位置和姿態(tài)信息，軌跡和路徑點(diǎn)等的信息；機(jī)器人任務(wù)動作順序信等的息；機(jī)器人動作、作業(yè)時的附加條件等的信息，機(jī)器人動作的速度和加速度等信息和作業(yè)內(nèi)容信息等。圖1所示為機(jī)器人示教方法的分類。

圖1. 機(jī)器人示教方法分類

實(shí)際應(yīng)用最多的傳統(tǒng)的示教盒示教要求操作者具有一定的機(jī)器人技術(shù)知識和經(jīng)驗(yàn)，示教效率較低。與示教盒示教相比，直接示教法可以無需操作者掌握任何機(jī)器人知識及經(jīng)驗(yàn)，操作簡單且快速，極大地提高了示教的友好性、高效性。圖2為啟帆設(shè)計(jì)的機(jī)器人示教盒以及對應(yīng)的三維實(shí)時控制軟件。

圖2. 機(jī)器人示教方法分類

直接示教控制方法

當(dāng)前主流的機(jī)器人直接示教控制方法可以分為兩類：第一類是基于位置控制或者阻抗控制的直接示教方法。第二類是基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教（有動力學(xué)模型）。

以下內(nèi)容為學(xué)術(shù)干貨，請劃重點(diǎn)

基于位置控制的直接示教

傳統(tǒng)的拖動示教依賴于外置于機(jī)器人的多維操作傳感器，利用該傳感器獲取的信息，牽引機(jī)器人末端在笛卡爾空間下做線性或者旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動。圖3為基于多維傳感器的位置控制的直接示教

圖3. 基于多維傳感器的位置控制的直接示教

圖4. 基于多維傳感器的位置控制的直接示教的控制方法

此類基于位置控制的拖動示教方法都無法回避兩個問題。一個是由于額外的多維傳感器的配置，增加了機(jī)器人的生產(chǎn)成本。另一個是由于多維傳感器只能控制機(jī)器人末端的笛卡爾空間，所以無法很好地控制單軸的運(yùn)動，使得機(jī)器人的運(yùn)動顯得十分僵硬，不利于真正的拖動示教變成，尤其是要微調(diào)到特定的點(diǎn)的時候，可能還需要傳統(tǒng)的遙控示教盒的輔助。

基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教

這是一種更為直接的機(jī)器人拖動示教方法，借助機(jī)器人的動力學(xué)模型，控制器可以實(shí)時的算出機(jī)器人被拖動時所需要的力矩，然后把提供該力矩給電機(jī)使得機(jī)器人能夠很好地輔助操作人員進(jìn)行拖動。力矩的計(jì)算如下列公式所示：

其中

公式中的是通過逆動力學(xué)算得的電機(jī)所需要的力矩，其計(jì)算公式包括慣性力項(xiàng)、科里奧利力和離心力項(xiàng)、重力項(xiàng) 以及摩擦力項(xiàng)。而當(dāng)中的根據(jù)選擇的摩擦力模型可以分解為粘性摩擦力項(xiàng)、庫侖摩擦力項(xiàng)以及補(bǔ)償。

不同于傳統(tǒng)的基于位置或者阻抗的拖動示教方法，零力控制方法對操作者更加的友好。在精確的動力學(xué)模型的幫助下，拖動機(jī)器人時要克服的機(jī)器人自身重力，摩擦力以及慣性力都的到了相應(yīng)的電機(jī)力矩的抵消，使得機(jī)器人能夠輕松的拖動。 同時，算法也保證了當(dāng)外力被撤銷時，機(jī)器人能夠迅速的靜止在當(dāng)前位置，保證設(shè)備和操作人員的安全。

另一個基于零力控制拖動示教帶來的優(yōu)勢是，在動力學(xué)模型中，各關(guān)節(jié)的力矩是可以單獨(dú)控制的，所以機(jī)器人的拖動點(diǎn)不再被固定在機(jī)器人末端或者多維傳感器上，操作者可以在機(jī)器人任意位置去拖動機(jī)器人，使操作更加靈活多變。

啟帆工業(yè)機(jī)器人的拖動示教技術(shù)

針對當(dāng)前的主流應(yīng)用需要，啟帆已開發(fā)出能夠應(yīng)用于不同型號機(jī)器人上的拖動示教技術(shù)。該技術(shù)以基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了無傳感器（sensorless）的基于力矩控制的零力平衡拖動示教。

這種拖動示教方法，除了具備上述的基于力矩控制的零力平衡的機(jī)器人直接示教外，還有著一個最主要的優(yōu)勢，就是無需外加關(guān)節(jié)力矩傳感器，降低了實(shí)現(xiàn)的成本，同時也保證了算法的通用性。