北京大學先進智能機械系統執行主任劉立：雙臂協作機器人
新浪科技訊 10月24日消息，2016世界機器人論壇21日開始舉行，大會邀請國內外機器人領域知名學者、專家圍繞「共創共享共贏，開啟智能時代」這一主題進行交流研討。北京大學先進智能機械系統及應用聯合實驗室執行主任劉立先生表示，現在服務機器人的應用多數還是語言和娛樂這樣的事情，如果我做直接的接觸，那麼有很好的力控制，這個WEE是一個很好的平台，WEE也是一個很好的平台作為醫療機器人，因為它的精度和靈巧性可以一個臂、兩個臂或者更多的臂都用同一個來做，所以我們在這裡推出完全中國品牌的中國自己產權的WEE系統產品和技術。
以下為演講實錄：
我們機器人中心是在2012年成立，主要是在非線性控制理論的指導下做兩件事：第一是節能的雙足行走，第二是雙臂協作的機器人。我會簡要地介紹一下什麼是協作機器人，然後是我本人曾經參與的機器人里程碑項目，然後是這種協作機器人的市場和應用，最後講一講協作機器人的將來。
什麼是人機協作機器人？就是發揮人的特長和機器的特長。機器可以不知疲倦地進行物理的操作、邏輯推理和思維，人能夠在複雜的、未知的環境下做出判斷和決策。協作還體現在大家信息的交互，通過人和機器的物理接觸，也通過人機界面。這種人機協作機器人的基本操作是什麼？第一是雙臂操作，第二是人可以引導機器進行操作，第三是考慮到人和機器的安全，因為是在同一個狹窄的環境之下一起工作，第四是我們期待的接觸，就是在機器人和環境之間、機器人的兩個手臂之間，還有機器人和人之間。這種操作要比現在應用的一般工業機器人要複雜得多，所以我們應該從系統的規定、操作、硬體、控制和軟體進行全面地設計。
機器人理論和實踐的爆發是從八十年代開始的，包括逆運動學和動力學的控制方法、穩定性理論、力控制和機器視覺，這些技術成功地運用到空間機器人上去了。這是作為一個控制、模擬和操作的知識團隊的領隊人，我們做了靈巧臂，2008年發射到了軌道，現在是在空中軌道上面運行的唯獨的一個靈巧臂，也是雙臂的機器人，主要是在國際空間站做接觸操作，這個機器人非常成功地應用了力控制的手段，時延是將近四秒鐘。這個機器人完成了國際空間站要求的全部部件更換任務，並且在2013年的時候第一次對衛星的燃料做了加註，加註進去了一點三升的燃料。這是我們世界各國都在夢想的一件事情，由於這樣的原因，加拿大政府在2013年發布的紙幣就是把靈巧機器人作為背景。
之後從2010年開始，我們團隊把空間機器人的技術應用到了醫療上面。我們給多倫多兒童醫院做小創傷手術，這是八個關節的機器人，也是世界上第一次把攝像頭可以在人的腹內移動，引導醫生找到創傷面。New Arm II是在核磁共振的條件下外科醫生對病人的腦部做手術。這兩個項目當中我們運用了全自適應動態補償的控制辦法，使得機器人的精度大大地提高了。九十年代以後新的發展主要是在硬體方面和通訊方面，這樣使得我們的機器人有了更好的技術條件，這種協作機器人開始商業化了，將對人類的生活、工業發生很大的影響。我們可以預測，這會像過去的Cell Phone和Internet一樣。
下面探討一下人機協作機器人的理論和技術，這是北京大學在過去一年多一點的時間生產的樣品，這個系統現在已經有了第一個銷售，我們把它叫做WEE，就是人和機器人是一支有效的隊伍。這是一個雙臂機器人，但是由兩個單臂組成，每個單臂可以獨立操作，一共由七個關節組成，可以有五公斤的負載，人和機器人可以共存在同一個環境當中，用戶可以通過界面選擇他所需要的操作模式。這個機器人是模塊化的，不僅是在機器上是模塊的，而且在控制上也是模塊化的，所以可以做成三個、五個甚至二十個關鍵，而不需要在系統方面做重新的設計。
人機協作機器人有什麼樣的技術要求？什麼樣的性能是我們設計者所希望的？這個操作是分區域的，綠色的區域就是一般的機器人一樣，這種機器人可以自由地移動，黃色的區域就是已經接近人了，這個時候就要小心把人傷害了。橘紅色的區域就是接觸的區域，這個區域機器和人進行接觸，和它所要完成的任務進行操作。我們做這件事情就是靠關節控制和任務控制這樣的阻尼控制，這樣的阻尼是按照不同區域的要求來進行調整的，而且我們要有無縫的銜接，就是在機器人的末端從不同的區域進行移動。我們希望機器人的末端阻尼和剛度都是完全節偶的，換句話說，如果在它的末端推它的話，你往哪個方向用力，機器人的末端就朝著哪個方向運動。我們希望機器人和人接觸的話這個力是很小的，這台機器人如果機械臂以每秒兩厘米的速度推進的話，這個速度對於接觸操作是足夠了，我們檢測到的力不會大於五牛頓，這是比一般的人機協作機器人達到的指標都要高得多，甚至要高出一個數量級。機器人要防止可能的接觸和碰撞在人和機械臂之間，由於是雙臂操作，就像人一樣，這個雙臂不是獨立操作的，如果右臂進行操作，你的左臂就可以按照右臂的操作狀況輔助來做。我們希望無論是雙臂還是單臂都要由人作為引導和主導，
力度要小，剛度要節偶，是不是可以達到最小的位置？我們的臂做到了，理論上可以推導出來這樣的力是在這樣的速度當中最小的力，如果能夠做到比這個力還小的話我不相信，可以一起來試一試，而且我們這個力做到了完全的節偶，理論上可以有一種協作機器人的靈巧性這個指標，這個指標和過去大家沿用的普通機械臂靈巧性的指標是有所區別的。我們的控制是結合時間軌跡和狀態軌跡，一個臂跟著一個臂走的控制方法。我們要把閉環系統的帶寬極致化、最大化，要用用戶和引導單臂和雙臂的操作，兩個臂之間協同操作、機械和人之間的協同操作。這個集中點和焦點已經從一個機械臂的一個末端改為兩個機械臂兩個末端，機械臂和人的手這樣的接觸。還有不可預測的人和機器人的接觸。
WEE Control就是力作用在這個機器人的末端，引入了機械臂的運動，一定要滿足後面的兩個條件，這個臂的阻尼要是完全節偶的，這一點我們也做到了。
下面探討一下這個機器人系統是不是有什麼應用。我們到深圳和其它地方做了很接近的調查，當時我看到這種應用的時候非常感慨，因為我們機器人的應用真的只是在一個大的領域裡面用了一小角，這麼多的應用都可以用人機協作的機器人做到。我們仔細地看了這樣的威復公司，他們在做濾波器，就是要調節螺栓的高度，使得它輸出的電頻滿足一定的需要。現在是工人兩個手在調，這個勞動強度是非常高的，而且工人的工資一定要付得很高人家才來。我們是用雙臂機器人代替這樣一條測試線，把智能化引入進來，不需要再看熒光屏了，完全可以靠我的系統來判斷這個機器人應該怎樣調節螺栓的高度。這裡有一個關鍵，你把第一個螺栓的高度調好了，再移到後面幾個螺栓的時候，第一個螺栓的變頻又錯了，對於機器人來說再來一次就可以了，我期望這樣智能機器人的引入可以給深圳3C的生產線帶來很多的改進。
我們的人機協作機器人在下一年或者第十年會有什麼樣的發展？我們是怎麼把WEE再往前推進一步，推到更加實用的角度？我們是這樣設想的，現在也有很多實際上沒有被人們認識的機器人的應用，只有這樣雙臂的機器人才可以處理這樣的柔性負載，換句話說，一根繩子一塊布，你拿一個機器人一條臂能夠做嗎？兩條臂很容易，另外就是模塊化的結構，我們可以做二十個關節的蛇形機器人，由於機器人是有很大的冗餘度的，就算我在當中的時候踢了這個機器人的本體，前面的六個自由度都是可以保持完全不變的。我們的控制技術可以用來改進現在傳統機器人的瓶頸，比方說一個尖銳變化焊接機器人的抖動，如果用模型補償了加速度，這些問題都是可以解決的。下一個我們夢想的就是很快地把這個WEE更加輕型化，來做和人直接的服務和接觸。現在服務機器人的應用多數還是語言和娛樂這樣的事情，如果我做直接的接觸，那麼有很好的力控制，這個WEE是一個很好的平台，WEE也是一個很好的平台作為醫療機器人，因為它的精度和靈巧性可以一個臂、兩個臂或者更多的臂都用同一個來做，所以我們在這裡推出完全中國品牌的中國自己產權的WEE系統產品和技術。
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