双臂协作机器人引领中国机器人新纪元

刘立

北京大学先进智能机械系统及应用联合实验室执行主任

当前，随着人们对工业、医疗、服务水平要求的不断提高，我们迫切的希望机器人能够更加的像人，并且能够和人“并肩作战”。在这一愿景的促使下，双臂协作机器人孕育而生。相比单臂机器人而言，双臂协作机器人更加的灵巧，并且能够与人接触，这无疑是机器人技术的重大突破。中国作为机器人的应用大国，必须拥有自主的双臂机器人品牌，打破国外机器人对市场的垄断，这将会是未来十年我们所面临的巨大的挑战，但也是必须实现的目标。

人机协作机器人有什么优势？它能够发挥人的特长和机器的特长。机器可以不知疲倦地进行物理的操作、逻辑推理和思维，人能够在复杂的、未知的环境下做出判断和决策。协作体现在信息的交互，通过人和机器的物理接触，也通过人机界面。这种人机协作机器人的基本操作是什么？

第一是双臂操作；

第二是人可以引导机器进行操作；

第三是考虑到人和机器的安全，因为是在同一个狭窄的环境之下一起工作；

第四是我们期待的接触。就是在机器人和环境之间、机器人的两个手臂之间，还有机器人和人之间。

其中，第四种操作要比现在应用的一般工业机器人要复杂得多，所以我们应该从系统的规定、操作、硬件、控制和软件进行全面地设计。

机器人理论走向商业化

机器人理论和实践的爆发是从八十年代开始的，包括逆运动学和动力学的控制方法、稳定性理论、力控制和机器视觉，这些技术成功地运用到了空间机器人上面。我们做了灵巧臂并于2008年发射到了轨道，现在它是空中轨道上面运行的唯独的一个灵巧臂，也是双臂的机器人，主要是在国际空间站做接触操作。这个机器人非常成功地应用了力控制的手段，时延将近四秒钟。它完成了国际空间站要求的全部部件更换任务，并且在2013年的时候第一次对卫星加注了1．3升的燃料。加注燃料是世界各国都在梦想完成一件事情，加拿大政府还在2013年发布的纸币上把灵巧机器人作为背景图案，这足以说明对灵巧机器人的重视程度。

从2010年开始，我们团队把空间机器人的技术应用到了医疗上面。第一件事，就是我们使用的是八个关节的机器人在多伦多儿童医院做小创伤手术，这也是世界上第一次把成功实现摄像头在人的腹内移动，引导医生找到创伤面的手术。第二件事，就是使用NeuroArm II双臂机器人在核磁共振的条件下，外科医生对病人的脑部进行手术。这两个项目当中运用了全自适应动态补偿的控制办法，使机器人的精度得到大大提高。

九十年代以后，新的发展主要是集中在硬件和通讯方面，这使得机器人有了更好的技术条件，协作机器人开始商业化，这将对人类的生活、工业发生很大的影响。我们可以预测，这会像过去的Cell Phone和Internet一样对人类产生重大的影响。

以人主导与引导

北京大学智能机械系统实验室在过去一年多的时间里研发出一款机器人产品 “WEE”。“WEE”是一个双臂机器人，它是由两个单臂组成，每个单臂可以独立操作，而且每个单臂由七个关节组成，这个双臂机器人可以有五公斤的负载。人和机器人可以共存在同一个环境当中，用户可以通过界面选择他所需要的操作模式。这个机器人是模块化的，这表现在机器上是模块化的，在电气上是模块化的，而且在控制上也是模块化的，所以它可以拓展到二十个关节，而不需要在系统方面做重新的设计。

WEE

人机协作机器人有什么样的技术要求？什么样的性能是设计者所希望的呢？这个操作分为绿、黄、橙色三个区域。绿色的区域就是指一般的机器人，这种机器人可以自由地移动。黄色的区域指已经接近人了，这个时候就要小心它会人伤害到人的问题。橙色的区域就是接触的区域，这个区域机器和人进行接触，和它所要完成的任务进行操作。

我们做这件事情就是靠关节控制和任务控制这样的阻尼控制，这样的阻尼是按照不同区域的要求来进行调整的，而且我们要有无缝的衔接，就是在机器人的末端从不同的区域进行移动。我们还希望机器人的末端阻尼和刚度都是完全节偶的，换句话说，如果在它的末端推它，往哪个方向用力，机器人的末端就朝着哪个方向运动。我们希望机器人和人接触的力是很小的。如果机械臂以每秒两厘米的速度推进，这个速度对于接触操作是足够的。我们检测到的力不会大于五牛顿，这是比一般的人机协作机器人达到的指标都要高得多，甚至要高出一个数量级。机器人要防止在人和机械臂之间可能的接触和碰撞。双臂操作就像人一样，双臂不是独立操作的，如果右臂进行操作，左臂就可以按照右臂的操作状况辅助来做。我们希望无论是双臂还是单臂都要由人作为引导和主导。

我还希望双臂机器人要具备什么性能？它的力度要小，刚度要节偶。那么它能不能达到最极致的位置？也就是说，性能达到一个临界点。我们的双臂机器人做到了这一点，将力度达到最小，也实现了完全的节偶。理论应该有一种协作机器人灵巧性的指标，而且这个指标和过去人们沿用的普通机械臂灵巧性的指标是有所区别的。

我们的控制是结合时间轨迹和状态轨迹，一个臂跟着另一个臂动作的控制方法。我们要把闭环系统的带宽极致化、最大化，要用用户来引导单臂和双臂的操作，两个臂之间协同操作、机械和人之间的协同操作。这个集中点已经从一个机械臂的一个末端改为两个机械臂的末端，让机械臂和人的手进行接触，除此之外，还有不可预测的人和机器人的接触。

WEE Control就是力作用在这个机器人的末端，引入了机械臂的运动，它一定要满足两个条件：第一，臂要非常柔软；第二。臂的阻尼是完全节偶的。这两点，我们都做到了。

人机协作机器人的全方位应用

那么，这个机器人系统有什么应用呢？我们到深圳和其它地方做了很接近的调查，当时我看到这些应用的时候非常感慨，因为我们机器人的应用真的只是在一个大的领域里面用了一小角，这么多的应用都可以用机器人，特别是人机协作的机器人做到。

我们了解了一家叫Wave公司，他们在做滤波器，就是要调节螺栓的高度，使得它输出的电频满足一定的需要。那么，现在普遍是怎么做的呢？是工人两只手在调。这个劳动强度是非常高的，而且工人的工资一定要付得很高人家才会来。那么，我们就用双臂机器人代替这样一条测试线，把智能化引入进来，不需要再看荧光屏了，完全可以靠系统来判断这个机器人应该怎样调节螺栓的高度。这里有一个关键，把第一个螺栓的高度调好了，再移到后面几个螺栓的时候，第一个螺栓的变频又错了，对于机器人来说再来一次就可以了，我期望通过这样的智能机器人的引入可以给深圳3C的生产线带来更多的改进。

下一个十年

现在也有很多实际上没有被人们认识的机器人的应用，只有这样双臂的机器人才可以处理这样的柔性负载，换句话说，一根绳子一块布，一个机器人一条臂能够做吗？而两条臂就很容易。另外就是模块化的结构，我们可以做二十个关节的蛇形机器人，由于机器人是有很大的冗余度的，就算给了机器人的本体一个外力作用，前面的六个自由度都是可以保持完全不变的。我们的控制技术可以用来改进现在传统机器人的瓶颈，比方说焊接机器人的抖动，如果用模型补偿了加速度，这些问题都是可以解决的。我们的下一个梦想就是很快地把WEE更加轻型化，来做和人直接的接触。

现在服务机器人的应用多数还是语言和娱乐，如果我们做直接的接触，那么就会在力度控制方面积攒下技术能力。WEE将会是一个很好的平台，特别是当它作为一个医疗机器人时，它的精度和灵巧性可以通过更多的臂来展现出来，所以我们要推出中国自主产权的品牌，来抵抗中国机器人市场完全被国外品牌所占领，这将是未来十年的时间内非常重要的事情。