雙臂協(xié)作機器人技術(shù)

導(dǎo)讀：雙臂協(xié)作機器人是當(dāng)今機器人學(xué)科研究的一個熱點方向，是實現(xiàn)柔性生產(chǎn)、智慧制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文介紹了工業(yè)、服務(wù)、軍事及特種應(yīng)用的雙臂協(xié)作機器人研究現(xiàn)狀，討論了熱點研究問題，對雙臂協(xié)作機器人的未來研究方向進(jìn)行了探討。1

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步及工業(yè)水平提高，以德國“工業(yè)4.0”為代表的智慧工業(yè)發(fā)展模式在世界范圍內(nèi)廣受關(guān)注。在智能制造領(lǐng)域，雙臂協(xié)作機器人比傳統(tǒng)單臂具有更高的靈活性、操作性和負(fù)載能力等，因而受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。雙臂機器人有如下幾方面特點：一是通過雙臂協(xié)作配合作業(yè)，無論面對剛性還是柔性物體，抓取和移動物體能力強；二是雙臂協(xié)作機器人在工作時可有效避免兩臂間的碰撞；三是兩臂可配合實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的有序控制，減少對工裝夾具的依賴。這些特點使雙臂協(xié)作機器人可實現(xiàn)對復(fù)雜工作任務(wù)的處理，適應(yīng)多變工作環(huán)境，很好地滿足了新工業(yè)模式柔性化定制的要求。雙臂共同完成任務(wù)的方式在機器人的早期研究中就已出現(xiàn)。上世紀(jì)七、八十年代，在單臂研究的基礎(chǔ)上，雙臂機器人協(xié)調(diào)控制的理論被逐步建立起來，這一時期主要研究了雙臂和被控對象形成的閉鏈運動學(xué)以及力的控制問題。90年代始，科研人員對雙臂機器人的運動規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制算法、力或力矩控制等進(jìn)行了研究。進(jìn)入新世紀(jì)以后，隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，學(xué)者們將強化學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、遺傳算法等理論方法應(yīng)用在雙臂協(xié)作機器人控制和規(guī)劃研究上，取得了較好的效果；同時隨著硬件技術(shù)的提高，雙臂協(xié)作機器人開始商業(yè)化，對人們的生活、工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了很大影響。本文首先闡述雙臂協(xié)作機器人在國內(nèi)外幾個主要領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，其次介紹雙臂智能協(xié)作方法、任務(wù)規(guī)劃和基于網(wǎng)絡(luò)的雙臂機器人技術(shù)幾個熱點研究問題。最后本文對雙臂協(xié)作機器人技術(shù)未來研究方向進(jìn)行了展望，并介紹了作者團(tuán)隊在該領(lǐng)域的研究成果。2

研究現(xiàn)狀

本節(jié)根據(jù)雙臂協(xié)作機器人在工業(yè)、服務(wù)、軍事、特種作業(yè)方面的應(yīng)用，介紹國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。2.1工業(yè)雙臂機器人

國外在工業(yè)雙臂機器人領(lǐng)域的研究較早，很多公司推出了其工業(yè)化產(chǎn)品。日本安川以取代人在工業(yè)生產(chǎn)中的組裝、分裝、維護(hù)等工作為初衷，推出了MOTOMAN-SDA系列雙臂機器人，如圖1（1）所示。該機器人除具有兩個7自由度冗余機械臂外，最大的特點是具有可靈活轉(zhuǎn)動的腰部，使其媲美人類上肢。Rethink推出的Baxter是全智慧機器人球應(yīng)用最廣泛的雙臂機器人之一，已經(jīng)應(yīng)用在全球400多所高校及研究機構(gòu)。該機器人的特點是具有豐富的傳感器組件，包括環(huán)繞聲吶、視覺傳感器、紅外測距儀、力和運動傳感組件，幫助其在不特定工業(yè)環(huán)境中完成復(fù)雜操作。愛普生WorkSenseW-01雙臂機器人安裝有移動輪，可以在不同地點完成組裝、搬運和其他各種任務(wù)，適應(yīng)更為復(fù)雜的工業(yè)制造環(huán)境。近年來，人機交互成為工業(yè)機器人的研發(fā)熱點之一，2015年ABB公司展示了首個真正意義上的人機交互雙臂機器人YuMi，用于實現(xiàn)其“物、服務(wù)與人互聯(lián)”戰(zhàn)略。YuMi機器人雙臂以軟性材料包裹，手臂靈巧且腕部配備六維力傳感器，在開放環(huán)境中工作可保障其人類“同事”的安全。在2019中國國際工業(yè)博覽會上，YuMi雙臂機器人展示了制造手表的“未來工廠”，利用一系列柔性高效的數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)定制腕表的批次實時裝配，如圖1（2）所示。(1)SDA工件加工

(2)YuMi裝配手表圖1工業(yè)雙臂機器人我國的雙臂機器人雖起步較晚，但近年來也涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀成果。2015年底，北京大學(xué)智能機械系統(tǒng)實驗室研發(fā)出雙臂機器人“WEE”。該機器人從機械結(jié)構(gòu)、電氣到控制方面均為模塊化設(shè)計，系統(tǒng)可擴(kuò)展到二十個關(guān)節(jié)。WEE采用無縫銜接的分區(qū)域阻尼控制，機器人末端阻尼和剛度完全解構(gòu)，具有很高的柔順性，可很好地實現(xiàn)人機協(xié)作。武漢的庫柏特推出了具有3D運動視覺功能雙臂機器人CAssembly，其末端可自適應(yīng)選配的多種手抓，雙臂可自動實現(xiàn)運動規(guī)劃、柔性操作、碰撞檢測及協(xié)作控制等功能。沈陽的新松機器人推出的DSCR3、DSCR5雙臂協(xié)作機器人具有機器視覺功能，可實現(xiàn)擰緊裝配、拋光打磨、視覺檢測等工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。2.2服務(wù)雙臂機器人

雙臂機器人的仿人特性使其從外觀和行為上都更為人所接受，通過模仿人的手臂動作可完成烹飪、送餐、照料等服務(wù)工作，降低服務(wù)業(yè)人工成本。服務(wù)用雙臂機器人與人直接接觸，需要面對復(fù)雜多變的工作環(huán)境，因此通常配備機器視覺，具有柔順控制和人機交互等功能。雙臂機器人用來為人們提供服務(wù)的想法由來已久，早在2008年，日本安川電機利用SDA10雙臂機器人表演了翻轉(zhuǎn)和烹飪?nèi)帐郊屣?。之后日本本田開發(fā)的Asmio仿人機器人通過對末端運動的感知，協(xié)調(diào)完成了端茶倒水的工作。如圖2（2）所示。但彼時的機器人智能化程度不高，大部分工作需預(yù)先編制指令，在復(fù)雜的應(yīng)用場景無法自動識別。隨著人工智能技術(shù)水平的提高，涌現(xiàn)出采用機器視覺、機器學(xué)習(xí)、信息融合等技術(shù)的智慧化雙臂服務(wù)機器人。例如同樣是食物煎烤，2015年歐洲RoboHow項目研制的PR2雙臂煎餅機器人能利用網(wǎng)絡(luò)信息，通過經(jīng)驗學(xué)習(xí)和人工訓(xùn)練學(xué)會新的服務(wù)技能。如圖2（1）所示。近年來，服務(wù)機器人智能化程度進(jìn)一步提高。在2019中國國際工業(yè)博覽會上，ABB展示了YuMi雙臂機器人在垃圾回收上的應(yīng)用。該展示根據(jù)上海市最新生活垃圾管理條例開發(fā)了分揀解決方案，通過機器人、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器融合實現(xiàn)垃圾分類和揀選，如圖2（3）所示。我國新松機器人在2020年中國工博會上展示了DSCR3雙臂協(xié)作機器人在分層調(diào)酒上的應(yīng)用，使用者選擇酒品種類、下單，雙臂協(xié)作機器人根據(jù)訂單，自動完成取杯、取酒、分層、引流、倒酒等一系列調(diào)酒動作，按照酒類密度大小對雞尾酒進(jìn)行分層，并最終將調(diào)制好的雞尾酒放置在指定區(qū)域。如圖2（4）所示。(1)PR2煎餅

(2)Asmio端茶(3)YuMi垃圾分類

(4)DSCR3調(diào)酒圖2服務(wù)雙臂機器人2.3軍用警用雙臂機器人

美國在軍用機器人的研制上處于領(lǐng)先地位，2013年首次向公眾展示波士頓動力公司為美軍研制的先進(jìn)人形機器人“阿特拉斯”。該機器人高1.88米，重150千克，通過液壓驅(qū)動全身關(guān)節(jié)，采用激光雷達(dá)、立體傳感器采集環(huán)境狀況，可實現(xiàn)大步前進(jìn)、避障和平穩(wěn)跳落等功能，可用于實現(xiàn)軍事救援等多種任務(wù)，如圖3（1）所示。在我國，軍用警用雙臂機器人主要應(yīng)用在防爆等任務(wù)上。北京航天微機電技術(shù)研究所研制出國內(nèi)首臺警用多功能人機隨動雙臂機器人，可應(yīng)用于警用排爆，圖3(3)是該機器人增加疫情防控模塊后在體溫檢測上的應(yīng)用。深拓科技開發(fā)出四輪移動的排爆雙臂機器人KT200，通過雙臂協(xié)作配合，該機器人適用于復(fù)雜物體的拆解操作，可用于公安、軍事以及核工業(yè)等危險、有害環(huán)境下的作業(yè)，如圖3（2）所示。(1)Atlas機器人

(2)KT200防爆

(3)防疫體溫測量圖3軍用雙臂機器人2.4特種雙臂機器人

雙臂機器人在如太空、海洋、核電等復(fù)雜空間環(huán)境中可以像人一樣發(fā)揮雙臂靈活操作的優(yōu)勢，是這一領(lǐng)域中用來探測、維修的重要設(shè)備。加拿大團(tuán)隊研制的Dextre是國際空間站著名的機器人，如圖4（1）所示。該機器人可利用其雙臂協(xié)助宇航員太空行走，以及代替宇航員從事一些危險的艙外作業(yè)。德國航天中心研制的RollinJustin雙臂機器人全身共51個自由度，可用于太空任務(wù)，圖4（2）為該機器人正在接受來自國際太空站宇航員的命令，在模擬火星的地球表面完成移動、導(dǎo)航、維修等任務(wù)。美國休斯敦機電公司（HMI）開發(fā)了海洋探測用雙臂機器人Aquanaut，該機器人深潛至任務(wù)現(xiàn)場后，可整體變形，伸出兩只配備力傳感器的爪式夾鉗，實現(xiàn)深海設(shè)備的遠(yuǎn)程修復(fù)。如圖4（3）所示。在特種用途的雙臂機器人領(lǐng)域，我國的中國電子科技集團(tuán)第二十一研究所、深拓科技等公司先后研制了適用特種場合的雙臂協(xié)作機器人。其中后者開發(fā)出一款結(jié)構(gòu)新穎的KRV高壓輸電線路帶電作業(yè)巡線檢修機器人，該機器人可沿線路軌道移動，通過雙臂協(xié)作實現(xiàn)更換輸電網(wǎng)上防震錘等線路金具等任務(wù)。如圖4（4）所示。(1)Dextre空間站維護(hù)

(2)RollinJustin模擬火星任務(wù)(3)Aquanaut

(4)KRV電力檢修圖4特種雙臂機器人3

熱點研究問題

從建模、協(xié)作控制到任務(wù)規(guī)劃，雙臂協(xié)作機器人的研究方向很多，本節(jié)選擇智能協(xié)作方法、任務(wù)規(guī)劃、基于網(wǎng)絡(luò)的雙臂機器人技術(shù)等幾個研究熱點問題進(jìn)行闡述。3.1雙臂機器人智能協(xié)作方法

雙臂機器人在協(xié)同工作時，兩臂存在物理耦合，需通過通信或控制使得一條機械臂對另一條的動作做出相應(yīng)運動決策，從而實現(xiàn)對被操作體的協(xié)作。（1）雙臂協(xié)作的約束為完成復(fù)雜任務(wù)，雙臂需共同抓持或操作某一物體，該物體與機器人的兩臂構(gòu)成閉合運動鏈，雙臂的操作和運動需滿足位姿間的約束關(guān)系。閉合鏈的約束關(guān)系使兩臂各自的運動變得復(fù)雜，主要包括自由度約束、可達(dá)空間約束、軌跡約束、力約束等幾種類型。這種復(fù)雜約束難以求解，目前常利用D-H法得到雙臂協(xié)作的閉鏈運動模型，利用機械臂末端和關(guān)節(jié)的速智慧機器人度關(guān)系求得雅可比矩陣，根據(jù)雙臂抓持剛體、操作旋轉(zhuǎn)連桿、操作球面副連桿等常見操作類型具體求得兩臂位置、速度和加速度的關(guān)系。（2）協(xié)作控制方法雙臂機器人的協(xié)作控制問題是在一定的運動約束下，對兩機械臂進(jìn)行運動和力控制。主要控制方法有主從控制、力位混合控制、反饋線性化方法、阻抗控制、智能控制等。其中力位混合控制理論方法明確，可綜合控制協(xié)作時雙臂相對位置和閉鏈內(nèi)力。阻抗控制通過控制力與位置間的動態(tài)關(guān)系實現(xiàn)柔順控制，實現(xiàn)了機械臂與環(huán)境動態(tài)接觸力的控制，廣泛應(yīng)用于零件裝配領(lǐng)域。為克服雙臂建模中的非線性、時變、不確定問題，近年來學(xué)者提出一系列智能控制方法，如基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能優(yōu)化等方法。（3）雙臂協(xié)作規(guī)劃為完成協(xié)作任務(wù)，需在工作空間中確定無碰撞的運動路徑，使機器人末端運動到特定目標(biāo)位姿。方法上可分為規(guī)劃型、反應(yīng)型兩大類。規(guī)劃型方法是將雙臂無碰撞運動規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為帶約束的優(yōu)化問題，通過設(shè)置關(guān)節(jié)運動、力矩和防自碰撞約束，使用最優(yōu)化方法求解。反應(yīng)性方法以人工勢場法為基礎(chǔ)，根據(jù)兩臂間及與障礙間距離建立虛擬斥力勢場，引導(dǎo)兩臂實現(xiàn)無自碰撞運動。為提高規(guī)劃可靠性，運動時還需實時檢測可能發(fā)生的碰撞，方法上有基于幾何模型和基于機器視覺的自碰撞檢測，可在碰撞前引導(dǎo)機器人停止或遠(yuǎn)離碰撞位置。3.2雙臂協(xié)調(diào)任務(wù)規(guī)劃方法

在一定的應(yīng)用場合下，雙臂機器人必須得到具體的任務(wù)指令序列，才能在雙臂協(xié)作控制下實現(xiàn)對任務(wù)工序的逐項操作。任務(wù)規(guī)劃即是將總?cè)蝿?wù)分解為動作序列的過程。任務(wù)規(guī)劃的大致流程如圖5所示，規(guī)劃器根據(jù)知識庫逐層實現(xiàn)任務(wù)的分解。根據(jù)雙臂機器人的特點，知識庫包含協(xié)作約束、操作、動作等內(nèi)容，通過分層規(guī)劃最終分解為動作序列。任務(wù)規(guī)劃和路徑規(guī)劃是串聯(lián)關(guān)系，任務(wù)規(guī)劃得到的具體動作再經(jīng)路徑規(guī)劃形成機器人的可執(zhí)行命令。圖5雙臂協(xié)調(diào)任務(wù)規(guī)劃流程圖任務(wù)規(guī)劃主要有針對特定場合的規(guī)劃、知識推理的規(guī)劃、人工智能方法的規(guī)劃三類方法。許多學(xué)者在特定場合下，對雙臂機器人的任務(wù)分解進(jìn)行了研究，如在醫(yī)療手術(shù)、仿人運動、零件裝配等方面的雙臂任務(wù)規(guī)劃。部分學(xué)者從知識和邏輯表示方向處理兩臂調(diào)度問題，通過描述邏輯表示知識，經(jīng)邏輯處理得到任務(wù)分解方案。人工智能規(guī)劃方法則通過預(yù)定的工作目標(biāo)、執(zhí)行環(huán)境和預(yù)定義的可執(zhí)行動作，在得到任務(wù)輸入后通過分層規(guī)劃器求得最優(yōu)化解，實現(xiàn)任務(wù)的自動規(guī)劃，目前該方法日益得到學(xué)者的重視。3.3基于網(wǎng)絡(luò)的雙臂機器人技術(shù)

許多復(fù)雜任務(wù)需要通過人的雙手完成，但在太空、深海、核工業(yè)環(huán)境等特殊環(huán)境里人很難直接參與，需要運用遠(yuǎn)程操作方式通過擬人雙臂機器人實現(xiàn)操作?；诰W(wǎng)絡(luò)的雙臂機器人技術(shù)不僅可以由人遠(yuǎn)程控制，而且充分發(fā)揮雙臂協(xié)作的特點，使操作者不必?fù)?dān)心碰撞問題。基于網(wǎng)絡(luò)的雙臂機器人控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6基于網(wǎng)絡(luò)的雙臂機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)程信息獲取方面，利用現(xiàn)場圖像及各傳感器信息，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實環(huán)境是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上操作員可在本地仿真平臺中實現(xiàn)雙臂機器人的操作，但目前快速準(zhǔn)確地在線建模還存在一定困難。在網(wǎng)絡(luò)層面上，通信網(wǎng)絡(luò)可采用因特網(wǎng)或其他工業(yè)總線，但必須考慮網(wǎng)絡(luò)延遲對操作結(jié)果的影響。一種處理方法是在本地仿真平臺測試操作無誤后，用延遲發(fā)送指令的方式控制遠(yuǎn)端雙臂機器人。也有學(xué)者提出提高網(wǎng)絡(luò)同步性，及采用如徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延遲預(yù)測處理網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。除通過網(wǎng)絡(luò)對機器人直接控制外，有學(xué)者提出監(jiān)督控制和共享控制方式，前者主要依靠遠(yuǎn)程雙臂機器人的自主能力，操作人員作適當(dāng)干預(yù)；后者則由人和機器人共同控制，發(fā)揮兩者優(yōu)勢。但這幾種人機參與方式對機器人自身的智能程度提出了更高的要求。4

未來研究方向

就雙臂協(xié)作機器人的現(xiàn)狀而言，雖然各大機器人廠商紛紛推出各自型號的雙臂機器人，但這些機器人能適應(yīng)的工作場景仍然有限。它們在“形”上已能滿足擬人工作的要求，在“智”上還有待進(jìn)一步提高。本文認(rèn)為未來主要的研究方向有如下四個方面。（1）智能協(xié)作控制方面。還需進(jìn)一步研究如何融合傳感器采集到的力、距離、圖像等信息，為機器人控制提供準(zhǔn)確輸入，以及如何設(shè)計自適應(yīng)控制率以應(yīng)對輸入信息的誤差和機器人系統(tǒng)本身的非線性與時變問題。（2）雙臂運動規(guī)劃方面。雙臂協(xié)作，甚至多臂協(xié)作所帶來約束的復(fù)雜程度高，快捷、動態(tài)地實現(xiàn)軌跡規(guī)劃，特別是高效地避免碰撞算法，以及軌跡最優(yōu)化方法值得進(jìn)一步探究。（3）雙臂協(xié)作任務(wù)規(guī)劃方面。目前雙臂機器人實現(xiàn)的協(xié)作任務(wù)還較為有限，需進(jìn)一步研究基于人工智能方法實現(xiàn)自主任務(wù)分配問題，以及在任務(wù)層面的雙臂機器人優(yōu)化協(xié)作問題。（4）人機交互方面。目前仍主要通過程序命令方式實現(xiàn)雙臂機器人的控制，需進(jìn)一步研究機器人自主學(xué)習(xí)方法，采用意圖編程模式替代動作過程編程方式。5

本研究團(tuán)隊的工作

本研究團(tuán)隊近年在國家重點研究計劃、國家自然科學(xué)基金等項目支持下，對雙臂協(xié)作機器人運動控制、軌