雷鋒網(wǎng)按：本文作者qqfly，上海交通大學(xué)機(jī)器人所博士生，本科畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工程系，主要研究方向機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，會(huì)寫一些好玩的內(nèi)容在微信公眾號(hào)：Nao(ID：qRobotics)。

「協(xié)作機(jī)器人」應(yīng)該算是2016年機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要關(guān)鍵詞，我們一起來(lái)聊一聊，最后還有一個(gè)好玩的視頻，大家可以看看。

當(dāng)然，這里我不想去過(guò)多的討論什么是協(xié)作機(jī)器人，我只關(guān)心怎么做。如果對(duì)其定義不清楚的，可以查看一篇不錯(cuò)的文章《What Does Collaborative Robot Mean ?》

協(xié)作機(jī)器人的研究點(diǎn)

協(xié)作機(jī)器人的主要目的是要讓人能與機(jī)器人協(xié)同工作。

傳統(tǒng)的機(jī)器人由于無(wú)法感知到人的存在，如果與人發(fā)生碰撞還是很危險(xiǎn)的。

所以，協(xié)作機(jī)器人的一大研究點(diǎn)就是機(jī)械臂與人的碰撞檢測(cè)。

說(shuō)到這點(diǎn)，就不禁讓我想到當(dāng)年看 Sami Haddadin 在德國(guó)宇航中心DLR時(shí)發(fā)布的視頻。（當(dāng)然，他現(xiàn)在跑去做了個(gè)Franka，也很厲害。）

然后下面這個(gè)是高（zuo）階（si）玩法：

視頻在這里：

   

當(dāng)然，現(xiàn)在已經(jīng)入坑運(yùn)動(dòng)規(guī)劃了，不可能再去做這個(gè)。但是，我還是好奇這么好玩的功能是怎么做出來(lái)的。

雖然各種論文里也都或多或少會(huì)提及他們的算法，但一直只看論文總感覺(jué)差點(diǎn)意思。

這時(shí)候應(yīng)該列出一大堆論文 

但是我就不。

協(xié)作機(jī)器人的實(shí)際操作過(guò)程

紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行。所以，我決定嘗試做一個(gè)。哦，不，1/7個(gè)（單關(guān)節(jié)）。

首先，在實(shí)驗(yàn)室小伙伴們的幫助下，搭了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：

大概就是一個(gè)交流電機(jī)帶著一個(gè)灰鑄鐵做的連桿?？刂破鞑捎玫氖菍?shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX，然后用EtherCAT進(jìn)行通信。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，要做這種能檢測(cè)碰撞的協(xié)作機(jī)器人，基本的思路就是建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，之后對(duì)比真實(shí)力矩與動(dòng)力學(xué)計(jì)算力矩，從而判斷是否碰撞。

測(cè)量力矩的話，我們就直接通過(guò)驅(qū)動(dòng)器反饋的電流估計(jì)好了。傳說(shuō)中的 Sensor-less Collision Detection，瞬間有種很厲害的感覺(jué)。

這個(gè)動(dòng)力學(xué)就不細(xì)說(shuō)了。我們可以得到上面這個(gè)動(dòng)力學(xué)公式，大概就是一個(gè)質(zhì)量項(xiàng)，一個(gè)重力項(xiàng)。（直驅(qū)就先不考慮摩擦力了）。參數(shù)的話，直接從SolidWorks中讀取就好了。

于是，我畫(huà)出了測(cè)量力矩與計(jì)算力矩的曲線：

嗯，誤差50%

看來(lái)，這里需要做一下參數(shù)辨識(shí)。

于是，我打開(kāi)了本科畢設(shè)論文。

幸好本科做了點(diǎn)微小的工作，現(xiàn)在直接就在這1/7個(gè)機(jī)器人上用了起來(lái)。

動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)后的效果果然不錯(cuò)，誤差立馬降到了8%內(nèi)。

有了精確的動(dòng)力學(xué)模型，就可以開(kāi)始實(shí)（zuo）驗(yàn)（si）了。

首先，要測(cè)試碰撞的效果，就是用各種物品去碰運(yùn)行的機(jī)器：

危險(xiǎn)動(dòng)作，請(qǐng)勿模仿。后果可能變得跟下面這個(gè)木棒一樣：

畫(huà)出真實(shí)力矩、計(jì)算力矩與它們的差值如下：

看來(lái)，碰撞對(duì)力矩的影響還是很明顯的。那么，我們很容易就能檢測(cè)到機(jī)械臂是否發(fā)生碰撞。

第二步，我們就是要讓機(jī)械臂在碰撞之后停止運(yùn)動(dòng)：

效果不錯(cuò)，一張紙就能讓機(jī)械臂停止運(yùn)動(dòng)。

但是，我們看前面 Haddadin 的視頻，機(jī)械臂在檢測(cè)到碰撞后并不是立馬停止運(yùn)行的，而是進(jìn)行重力補(bǔ)償模型（zero-G mode）。

如上圖，Haddadin 的論文中說(shuō)，檢測(cè)到碰撞后讓機(jī)械臂進(jìn)入重力補(bǔ)償模式的方法（圖中Strategy 2）的接觸力最小，對(duì)人的影響也最小。

好吧，既然大神這么說(shuō)了，我也就這樣做做看。

但是，我的動(dòng)力學(xué)模型并不是非常準(zhǔn)確，沒(méi)法做到完全的 zero-G，我這里的做法是用在碰撞后采用“重力補(bǔ)償+小增益PD控制”的方法，這樣應(yīng)該可以達(dá)到類似效果。

嗯，效果也不錯(cuò)。

不過(guò)，既然我可以將機(jī)械臂的剛度降到這么低，那豈不是可以做拖動(dòng)示教（Hand Guiding）了？

所有視頻在這里：

   

當(dāng)然，真的要在多軸機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)這些功能還是比較復(fù)雜的。其中，最復(fù)雜的一個(gè)就是摩擦力了，我們并不知道摩擦力的具體模型，這樣就沒(méi)法進(jìn)行辨識(shí)補(bǔ)償了。

我這里給大家看個(gè)極端的例子：100kg負(fù)載，86減速比（行星齒輪）。

然后，我用同樣的方法做動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)。如果不考慮摩擦力的話，辨識(shí)結(jié)果如下圖：

機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型完全沒(méi)法擬合出力矩曲線。說(shuō)明在這種情況下，摩擦力是沒(méi)辦法忽略的。

但是，即使我想把摩擦力辨識(shí)出來(lái)，嘗試過(guò)幾種摩擦力經(jīng)驗(yàn)公式，也沒(méi)辦法完全消除誤差。

這就是為什么現(xiàn)在絕大多數(shù)協(xié)作機(jī)器人都必須加關(guān)節(jié)力矩傳感器，這樣就能跳過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)，減小摩擦力的影響。

最后，奉勸大家一句：摩擦力的話，入坑需謹(jǐn)慎。

最最后，把 Sami Haddadin 的完整視頻放在這里：

    

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