新浪科技:北京大学先进智能机械系统执行主任刘立:双臂协作机器人

时间: 2016-10-24


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新浪科技讯 1024日消息,2016世界机器人论坛21日开始举行,大会邀请国内外机器人领域知名学者、专家围绕共创共享共赢,开启智能时代这一主题进行交流研讨。北京大学先进智能机械系统及应用联合实验室执行主任刘立先生表示,现在服务机器人的应用多数还是语言和娱乐这样的事情,如果我做直接的接触,那么有很好的力控制,这个WEE是一个很好的平台,WEE也是一个很好的平台作为医疗机器人,因为它的精度和灵巧性可以一个臂、两个臂或者更多的臂都用同一个来做,所以我们在这里推出完全中国品牌的中国自己产权的WEE系统产品和技术。

以下为演讲实录:

  我们机器人中心是在2012年成立,主要是在非线性控制理论的指导下做两件事:第一是节能的双足行走,第二是双臂协作的机器人。我会简要地介绍一下什么是协作机器人,然后是我本人曾经参与的机器人里程碑项目,然后是这种协作机器人的市场和应用,最后讲一讲协作机器人的将来。

  什么是人机协作机器人?就是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。协作还体现在大家信息的交互,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。这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空间机器人上去了。这是作为一个控制、仿真和操作的知识团队的领队人,我们做了灵巧臂,2008年发射到了轨道,现在是在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,时延是将近四秒钟。这个机器人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的燃料做了加注,加注进去了一点三升的燃料。这是我们世界各国都在梦想的一件事情,由于这样的原因,加拿大政府在2013年发布的纸币就是把灵巧机器人作为背景。

  之后从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。我们给多伦多儿童医院做小创伤手术,这是八个关节的机器人,也是世界上第一次把摄像头可以在人的腹内移动,引导医生找到创伤面。NewArm II是在核磁共振的条件下外科医生对病人的脑部做手术。这两个项目当中我们运用了全自适应动态补偿的控制办法,使得机器人的精度大大地提高了。九十年代以后新的发展主要是在硬件方面和通讯方面,这样使得我们的机器人有了更好的技术条件,这种协作机器人开始商业化了,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CellPhoneInternet一样。

  下面探讨一下人机协作机器人的理论和技术,这是北京大学在过去一年多一点的时间生产的样品,这个系统现在已经有了第一个销售,我们把它叫做WEE,就是人和机器人是一支有效的队伍。这是一个双臂机器人,但是由两个单臂组成,每个单臂可以独立操作,一共由七个关节组成,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,不仅是在机器上是模块的,而且在控制上也是模块化的,所以可以做成三个、五个甚至二十个关键,而不需要在系统方面做重新的设计。

  人机协作机器人有什么样的技术要求?什么样的性能是我们设计者所希望的?这个操作是分区域的,绿色的区域就是一般的机器人一样,这种机器人可以自由地移动,黄色的区域就是已经接近人了,这个时候就要小心把人伤害了。橘红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的话,你往哪个方向用力,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话这个力是很小的,这台机器人如果机械臂以每秒两厘米的速度推进的话,这个速度对于接触操作是足够了,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。机器人要防止可能的接触和碰撞在人和机械臂之间,由于是双臂操作,就像人一样,这个双臂不是独立操作的,如果右臂进行操作,你的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,

  力度要小,刚度要节偶,是不是可以达到最小的位置?我们的臂做到了,理论上可以推导出来这样的力是在这样的速度当中最小的力,如果能够做到比这个力还小的话我不相信,可以一起来试一试,而且我们这个力做到了完全的节偶,理论上可以有一种协作机器人的灵巧性这个指标,这个指标和过去大家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,一个臂跟着一个臂走的控制方法。我们要把闭环系统的带宽极致化、最大化,要用用户和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。这个集中点和焦点已经从一个机械臂的一个末端改为两个机械臂两个末端,机械臂和人的手这样的接触。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,一定要满足后面的两个条件,这个臂的阻尼要是完全节偶的,这一点我们也做到了。

  下面探讨一下这个机器人系统是不是有什么应用。我们到深圳和其它地方做了很接近的调查,当时我看到这种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人机协作的机器人做到。我们仔细地看了这样的威复公司,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。现在是工人两个手在调,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来。我们是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,完全可以靠我的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,你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,我期望这样智能机器人的引入可以给深圳3C的生产线带来很多的改进。

  我们的人机协作机器人在下一年或者第十年会有什么样的发展?我们是怎么把WEE再往前推进一步,推到更加实用的角度?我们是这样设想的,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,你拿一个机器人一条臂能够做吗?两条臂很容易,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,就算我在当中的时候踢了这个机器人的本体,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,比方说一个尖锐变化焊接机器人的抖动,如果用模型补偿了加速度,这些问题都是可以解决的。下一个我们梦想的就是很快地把这个WEE更加轻型化,来做和人直接的服务和接触。现在服务机器人的应用多数还是语言和娱乐这样的事情,如果我做直接的接触,那么有很好的力控制,这个WEE是一个很好的平台,WEE也是一个很好的平台作为医疗机器人,因为它的精度和灵巧性可以一个臂、两个臂或者更多的臂都用同一个来做,所以我们在这里推出完全中国品牌的中国自己产权的WEE系统产品和技术。


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