柔性機器人技術：工業機器人發展的下一方向

經過半個多世紀的發展，工業機器人已經廣泛應用于制造業的許多方面，但仍有大量的生產環節需要人工完成。目前，機器人工人的數量仍不到人類工人數量的1%，對機器人工人的需求遠遠沒有得到滿足。如果把范圍擴大到商業、醫療康復等廣義的生產活動，需求會更大。面對這些需求，傳統工業機器人的局限性在哪里？我們需要什么樣的機器人？

工業機器人的優缺點：傳統工業機器人是從電機演變而來的，與手動機器人相比，具有承載能力大、速度快、位置精度好的優點。缺點是應對環境不確定性的調節能力差，智能化程度低。在傳統工業機器人的基礎上，協同機器人可以減輕結構重量，限制電機的功率和速度，保證與人在同一空間工作的安全性，本質上是工業機器人的一個分支。

工業機器人(包括協作機器人)都控制機器人的位置，一般采用示教-執行的開環過程，只能應用于嚴格結構化的場景，無法很好地處理場景中的不確定性。比如在零件的裝配中，零件的公差配合精度遠高于機器人位置控制，僅靠位置控制是無法完成裝配的。然而憑借力的感覺、手臂的靈活性以及學習和決策的能力，手冊可以輕松完成裝配動作。因此，目前工廠在零部件裝配方面需要大量的工人，工業機器人在這方面做了很多應用嘗試，但效率很難pk人。

柔性機器人的區別和好處是什么？傳統工業機器人雖然也可以借助末端力傳感器實現力覺控制，但受限于面向位置的控制架構，力覺閉環環節多、響應慢、節拍慢，難以與人手相比。柔性機器人的軟硬件架構與傳統工業機器人不同：每個關節都配備了一個力傳感器，底層控制架構由原來的位置控制轉變為力與位置融合控制，使機器人兼具高精度位置控制和高動態力控制。

所謂高動態力控制，即力的閉環頻率比工業機器人提高一兩個數量級，力響應更靈敏。同時可以模擬人體手臂肌肉控制的柔順特性，使機器人具備應對環境不確定性的能力。比如在零件裝配場景中，我們可以控制相應方向的主動柔順，模擬人手順應位置偏差，進行柔順裝配。例如，對于復雜曲面拋光，柔性機器人控制向前方向的位置和拋光壓力方向的力，通過機械臂的柔度調節來適應曲面的彎曲變化，符合人工操作的特點。