协作机器人（力控/力估计）特性与力控算法实现原理

       协作机器人对于人机交互的研究是非常重要的，本篇博文旨在介绍协作机器人相关技术领域的知识。首先协作机器人（Collaborative robot）指被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人。与传统机器人不同，协作机器人具有很强的独立性，机器人和人之间可以互换，在生产过程中灵活性非常高。不过其缺点也很明显，在与人协作过程中，为保护人的安全，对机器人控制能力和防碰撞能力都提出较高要求。

为了控制力和碰撞能力，协作机器人的运行速度比较慢，通常只有传统机器人的三分之一到二分之一

工业型协作机器人（下面都简称工业协作），自然是以UR为代表，但同期还有两大著名的工业协作，一个是Rethink，公认的协作鼻祖，可惜已经倒闭，至今还未复出；另一个就是iiwa，或者说是DLR更确切一些，大家都知道iiwa以及几家明星协作公司都是来源于DLR！！

UR和iiwa在工业协作中代表了两种不同的技术路线。

UR代表的技术路线是采用电流环实现力控，并采用双编码器实现安全冗余。这种技术路线的结构与UR本身以及其他追随者的布局非常相似，都包括谐波减速机、48V无框电机、刹车、双编码器和驱动器等组件。然而，有些细微的解决方案可能会有所不同，例如刹车种类、编码器种类等等。此外，UR系列本身以及一些追随者还将末端力传感器作为生态配件供客户选择，但需要注意的是，六维力传感器价格较高。

以iiwa为代表的工业协作在关节结构上与UR相似，但每个关节都配备了一维扭矩传感器，采用组件型减速机。这种技术可以实现更丰富的安全机制，拖动过程非常流畅。DLR技术源头派系的企业包括iiwa、Franka、非夕、思灵等，还有国内珞石和ABB的Gofa。iiwa一派由于增加了关节力传感器，成本相应增加，因此售价至少是电流环派的两倍以上！！！

机器人的控制系统、电机和减速机确实是机器人制造中非常重要的三个部分，也是占据机器人成本的主要部分。

在控制系统中，自主研发的控制系统比较常见，这是因为每个机器人的功能和性能要求都有所不同，需要根据具体的应用场景和需求进行定制化的研发。自主研发的控制系统可以更好地满足机器人的特殊需求，提高机器人的性能和稳定性。

至于电机和减速机，国产可用的资源确实比较有限。这主要是因为这两个部件的技术含量比较高，需要具备一定的技术积累和制造经验才能够生产出高质量的产品。

机器人力控

    力控制在机器人研究中已经存在很长时间了。自20世纪70年代以来，研究人员一直在寻找将触觉整合到机器人中的方法。触觉可能是人类感官中最重要的，所以它对机器人来说也很重要。

虽然它有很长的历史，使用力控制最近才开始在工业机器人中流行起来。现在，我们终于开始看到集成力控制的机器人产品。这对机器人研究人员来说是件好事!

无数其他研究小组已经将力控制集成到他们的机器人中。这意味着(至少对于学术研究人员来说)执行力控制的价值更低，因为它不会产生任何“新颖”(即可发表的)结果。

当谈论力控制的优点时，通常我们将主动力控制与运动控制(例如位置控制或速度控制)进行比较。

纯位置控制的工作原理如下:

你命令机器人的关节和手臂到一个特定的位置。

无论环境中施加什么力，机器人都会试图到达那个位置。

显然，这种控制方法存在缺陷。机器人很容易对环境施加非常大的力，并可能造成损害。比如说机器人不小心用空手道把桌子劈成两半，因为它被命令到错误的位置，只使用了纯粹的位置控制。

力控制提供了另一种选择。可以使用6轴力-扭矩传感器(有时也可以使用其他力传感器)来感知物理相互作用。这意味着力控制器更适合各种任务，包括:

    对物体施加可控的力(如去毛刺、研磨、推动物体等)；
    处理装配中的几何不确定性(例如建造宜家家具的机器人)；
    改进双侧遥操作力反馈；
    出于安全考虑，避免对环境施加高强度的力。

这就说明了力控制比纯位置控制的优势所在！！！

力控制类型
纯力控制使用了与上述纯位置控制类似的原理。唯一的区别是你用力而不是位置来指挥机器人。因此，机器人将试图保持对环境指定的力。

纯力控制也有一定的局限性。例如，当机器人在自由空间中移动时(即没有施加力时)，它就不是那么大了。

在实践中，运动和力控制的结合使用，以获得两全其美。

有各种不同的力控制技术，其中一些描述如下。这些都是“主动”力控制器(即力数据被纳入控制回路)。也可以有“被动”力控制，比如当一个弯曲的材料或弹簧集成到一个机械手，以确保它不能施加高的力。

间接力控制
这些方法主要是运动控制器，只有当机器人的位置偏离目标位置时才施加力约束。这些控制器没有明确地“关闭力反馈回路”。这意味着，从技术上讲，它们不需要实现力扭矩传感器。然而，通常使用力扭矩传感器数据来改进控制器是一个好主意。

阻抗控制-在机器人的目标位置和实际位置之间使用质量-弹簧阻尼器。想象一下，你在手指和空中的某个目标位置之间安装了一个弹簧。你的手指离那个点越远，弹簧施加的力就越大，把你拉回那个点。

导纳控制-这与阻抗控制相反(或多或少)。可以把它想象成用手指穿过一种非常粘稠的物质，比如蜂蜜或湿沙。你对物体施加的力越大，你的手指就会移动得越远。

直接力控制
这些方法将力和运动结合到机器人的控制中。它们需要两种不同的输入——目标位置/运动和目标力。因此，一些直接力控制器必须有一个非常清晰的任务模型。

当在未知环境中使用控制器或执行未知任务时，这有时会受到限制。但是，当确实了解任务的具体细节时，这些控制器允许根据任务的需要独立控制每个轴的力或运动。

混合力/位置控制-这种控制方法相当流行。它将任务的所有6个轴(3个力和3个扭矩)分开，并对每个轴应用基于运动的控制或基于力的控制。不受约束(自由)轴在位置上进行控制，而受约束轴通过施加恒定力进行控制。
平行力/位置控制-如果您想使用直接控制，但不知道任务的细节。它的工作原理是同时实现力控制和运动控制。控制器的设置使力控制比运动控制对输出的影响更大。这意味着机器人将在运动控制下移动，直到施加外力。

参考文献：

【1】https://www.zhihu.com/question/505899342/answer/3150433299

【2】https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%8F%E4%BD%9C%E6%9C%BA%E5%99%A8%E4%BA%BA/18644559?fr=ge_ala

【3】https://zhuanlan.zhihu.com/p/590395292

【4】Robotics Research 101: Getting Started with Force Control (robotiq.com)

【5】Integrated Force Control - Robot Equipment and Accessories | ABB Robotics

【6】(PDF) An overview of robot force control (researchgate.net)