机器人快速控制原型丨工业机器人拖动示教概念及相关控制方法介绍

在“工业 4.0”和“中国制造 2025”的背景下，为了适应现代工业快速多变的特点以及满足日益增长的复杂性要求，机器人不仅要能长期稳定地完成重复工作，还要具备智能化、网络化、开放性、人机友好性的特点。

作为工业机器人继续发展与创新的一个重要方面，示教技术正在向利于快速示教编程和增强人机协作能力的方向发展。实际应用最多的传统的示教盒示教要求操作者具有一定的机器人技术知识和经验，示教效率较低。与示教盒示教相比，拖动示教法可以无需操作者掌握任何机器人知识及经验，操作简单且快速，极大地提高了示教的友好性、高效性。

相关概念

1、拖动示教
是指在操作者的牵引下（牵引末端或者牵引某一个操作臂），操作臂会沿着人的作用力方向移动。这一功
能可以很方便地进行规划轨迹（对过程轨迹精度不高的任务），以便操作者记录和复现轨迹， 而无 需人工编程，降低了对操作者的门槛，提高了效率。

2、基于传感器的拖动示教

传统的拖动示教依赖于外置于机器人的多维力矩传感器（包括基座型、关节型、末端型），利用该传感器获取的力矩信息，计算出期望的运动方向和速度。此方法虽然能够提高控制精度，但同时也带来了成本的增加、安装维护的不便。高精度传感器的成本甚至高于机器本体。

3、基于力矩控制的零力平衡的拖动示教

对于刚性工业型机器人，在不增加制造、维护成本的前提下，借助机器人的动力学模型，控制器可以实时算出机器人被拖动时所需要的力矩，然后把该力矩提供给电机，使得机器人 能够很好地辅助操作人 员进行拖动，满足人机良好交互要求。

控制方法

串联机械臂运动控制有多种方法，比较有代表性的三种：独立关节嵌套双环控制、独立关节嵌套双环加重力/摩擦力补偿控制、计算力矩控制，另外还有拖动示教控制，下面做简单比较：

1、独立关节嵌套双环控制：指的是每个关节单独使用两个闭环控制，外面的控制环为关节角度控制环，里面的控制环为关节角速度控制环。这种方法是最早期的机器人控制方式，仅从简单的电机控制角度出发，不考虑电机负载随运动的变化，所以这种方式跟踪精度比较差。

2、独立关节嵌套双环加重力/摩擦力补偿控制：在独立关节嵌套双环控制的基础上，将重力和摩擦力的前馈补偿直接施加到力矩输出端。这种算法考虑了力矩影响的主要因素重力和摩擦力，因为在机器人的所有力矩中，在通常的工况下这两项力矩占比非常大，更高速的情况还可以把加速度项力矩、离心力和科式力项力矩加入进去（通常不这么做是因为由传感器差分得到的角加速度噪声太大）。在工业机器人上更多采用这种控制方式，是本案的实际采用方法。

3、计算力矩控制：这种控制方式是建立在动力学模型很准确的前提下的，将重力力矩、哥氏力和离心力力矩、摩擦力矩一起加入到前馈中去之后，系统可以简化成二阶系统，那么可以通过调整角度、角速度反馈的系数，使得二阶系统处于临界阻尼状态，机器人控制系统具有很好的控制性能。这种控制方式难点在能够把模型建立得足够准确，是典型的科研方向之一。