當前，隨著人們對工業、醫療、服務水平要求的不斷提高，我們迫切的希望機器人能夠更加的像人，并且能夠和人“并肩作戰”。在這一愿景的促使下，雙臂協作機器人孕育而生。相比單臂機器人而言，雙臂協作機器人更加的靈巧，并且能夠與人接觸，這無疑是機器人技術的重大突破。中國作為機器人的應用大國，必須擁有自主的雙臂機器人品牌，打破國外機器人對市場的壟斷，這將會是未來十年我們所面臨的巨大的挑戰，但也是必須實現的目標。

人機協作機器人有什么優勢？它能夠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，人能夠在復雜的、未知的環境下做出判斷和決策。協作體現在信息的交互，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么？

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。

其中，第四種操作要比現在應用的一般工業機器人要復雜得多，所以我們應該從系統的規定、操作、硬件、控制和軟件進行全面地設計。

機器人理論走向商業化

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了空間機器人上面。我們做了靈巧臂并于2008年發射到了軌道，現在它是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，時延將近四秒鐘。它完成了國際空間站要求的全部部件更換任務，并且在2013年的時候第一次對衛星加注了1.3升的燃料。加注燃料是世界各國都在夢想完成一件事情，加拿大政府還在2013年發布的紙幣上把靈巧機器人作為背景圖案，這足以說明對靈巧機器人的重視程度。

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。第一件事，就是我們使用的是八個關節的機器人在多倫多兒童醫院做小創傷手術，這也是世界上第一次把成功實現攝像頭在人的腹內移動，引導醫生找到創傷面的手術。第二件事，就是使用NeuroArmII雙臂機器人在核磁共振的條件下，外科醫生對病人的腦部進行手術。這兩個項目當中運用了全自適應動態補償的控制辦法，使機器人的精度得到大大提高。

九十年代以后，新的發展主要是集中在硬件和通訊方面，這使得機器人有了更好的技術條件，協作機器人開始商業化，這將對人類的生活、工業發生很大的影響。我們可以預測，這會像過去的CellPhone和Internet一樣對人類產生重大的影響。

以人主導與引導

北京大學智能機械系統實驗室在過去一年多的時間里研發出一款機器人產品“WEE”。“WEE”是一個雙臂機器人，它是由兩個單臂組成，每個單臂可以獨立操作，而且每個單臂由七個關節組成，這個雙臂機器人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，這表現在機器上是模塊化的，在電氣上是模塊化的，而且在控制上也是模塊化的，所以它可以拓展到二十個關節，而不需要在系統方面做重新的設計。

WEE

人機協作機器人有什么樣的技術要求？什么樣的性能是設計者所希望的呢？這個操作分為綠、黃、橙色三個區域。綠色的區域就是指一般的機器人，這種機器人可以自由地移動。黃色的區域指已經接近人了，這個時候就要小心它會人傷害到人的問題。橙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。我們還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，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力是很小的。如果機械臂以每秒兩厘米的速度推進，這個速度對于接觸操作是足夠的。我們檢測到的力不會大于五牛頓，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。機器人要防止在人和機械臂之間可能的接觸和碰撞。雙臂操作就像人一樣，雙臂不是獨立操作的，如果右臂進行操作，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。

我還希望雙臂機器人要具備什么性能？它的力度要小，剛度要節偶。那么它能不能達到最極致的位置？也就是說，性能達到一個臨界點。我們的雙臂機器人做到了這一點，將力度達到最小，也實現了完全的節偶。理論應該有一種協作機器人靈巧性的指標，而且這個指標和過去人們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，一個臂跟著另一個臂動作的控制方法。我們要把閉環系統的帶寬極致化、最大化，要用用戶來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。這個集中點已經從一個機械臂的一個末端改為兩個機械臂的末端，讓機械臂和人的手進行接觸，除此之外，還有不可預測的人和機器人的接觸。

WEEControl就是力作用在這個機器人的末端，引入了機械臂的運動，它一定要滿足兩個條件：第一，臂要非常柔軟；第二。臂的阻尼是完全節偶的。這兩點，我們都做到了。

人機協作機器人的全方位應用

那么，這個機器人系統有什么應用呢？我們到深圳和其它地方做了很接近的調查，當時我看到這些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里面用了一小角，這么多的應用都可以用機器人，特別是人機協作的機器人做到。

我們了解了一家叫Wave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。那么，現在普遍是怎么做的呢？是工人兩只手在調。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會來。那么，我們就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，完全可以靠系統來判斷這個機器人應該怎樣調節螺栓的高度。這里有一個關鍵，把第一個螺栓的高度調好了，再移到后面幾個螺栓的時候，第一個螺栓的變頻又錯了，對于機器人來說再來一次就可以了，我期望通過這樣的智能機器人的引入可以給深圳3C的生產線帶來更多的改進。

下一個十年

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，一個機器人一條臂能夠做嗎？而兩條臂就很容易。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，由于機器人是有很大的冗余度的，就算給了機器人的本體一個外力作用，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。我們的下一個夢想就是很快地把WEE更加輕型化，來做和人直接的接觸。

現在服務機器人的應用多數還是語言和娛樂，如果我們做直接的接觸，那么就會在力度控制方面積攢下技術能力。WEE將會是一個很好的平臺，特別是當它作為一個醫療機器人時，它的精度和靈巧性可以通過更多的臂來展現出來，所以我們要推出中國自主產權的品牌，來抵抗中國機器人市場完全被國外品牌所占領，這將是未來十年的時間內非常重要的事情。

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