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我们邀请了本期的技术干货，与您分享如何设计和控制合作机械臂。
”顾名思义，合作机械臂是一种适合与人类合作解决实际问题的机械臂。作为机械臂家族的一员，它对应于传统的工业机械臂。经过多年的发展，工业机械臂在汽车和3C电子等工业自动化领域得到了广泛的应用和应用，合作机械臂作为近年来的新兴产品，在智能、安全和易用性方面比工业机械臂有了很大的提高，在柔性制造、康复医疗、商业服务和家庭应用等新兴领域带来了巨大的实施潜力。
本文将首先简要介绍如何通过硬件设计和运动控制来设计和控制合作机械臂，然后通过现阶段的实际应用DEMO让我们直观地了解合作机械臂的形状、功能和特性。
协作机械臂的整体硬件设计主要是由详见下图2：
伺服关节是协作机械臂最重要的组成部分，可理解为整个机械臂的动力单元。完整的伺服关节一般由谐波减速器、扭矩电机、传感器、驱动器、制动器和外壳六部分组成。详见下图3。
扭矩电机通过FOC矢量控制输出所需的速度和扭矩，然后通过谐波减速器调整速度和扭矩关系。一般来说，在协作机器人中，电机的高速通过谐波减速器 低扭矩工况转化为实际使用所需的低速 大扭矩工况；FOC矢量控制的底层操作是由集成嵌入式芯片的驱动器产生的，驱动器是伺服关节底层控制的大脑还具有实时底层计算和输出三相驱动电流，AD/DA输入输出转换、通信协议分析等重要功能；同时，为了保证伺服关节输出位置和力的精度，我们通常需要闭环进行具体控制，这需要位置传感器和扭矩传感器将相应的关节位置和关节力实时测量反馈给驱动器；此外，我们通常要求机械臂在断电时保持静态和稳定的姿势，因此，相应的驱动器通常集成在伺服关节中以克服相应的重力矩；最后，整个伺服关节由精心设计CNC外壳串联固定上述所有主要成分，形成上图3中所示的高集成度伺服关节。
在上述伺服关节的基础上，协作机械臂需要相应的连杆外壳连接每个动力单元，形成整体动力传递和机体形状。这里提到的形状是指空间中自由度的数量。一般协作机械臂主要为6或7，可称为六轴机械臂或七轴机械臂。七轴机械臂在整体运动的灵活性和可达性方面具有更大的优势，因为它有一个多余的空间冗余自由度6。
上图4是经典合作机械臂的连杆外壳爆炸图。一般来说，传动功率元件（图4白色元件）由铝合金制成，维护开口或装饰元件（图4灰色元件）由塑料制成。作为传动功率元件，在设计过程中需要精确详细FEM分析，以确保在良好轻量化的基础上仍能保证较好的本体刚度，提高机械臂整体运动的动态性能和终端定位精度。
除机身本体外，一般在实际使用过程中还应配备控制柜和示教器进行操作和使用，如下图5所示。
控制柜类似于整个机器人上层控制的大脑，一般配备工控机（NUC）对于计算能力要求较高的上层操作，相应的是上述伺服关节中提到的驱动器。由于尺寸和功率的限制，它通常是处理底层的基本操作。此外，控制柜还集成了我们日常生活中提供的220电源模块V交流电转换为伺服关节所需的48V或24V直流电，还有相应的电源安全模块，以确保整个机械臂电气系统EMC和抗ESD能力。
示教器类似于集成特定操作控制系统的平板作控制系统的平板电脑PC的情况下也可以通过示教器直接对机械臂进行操作控制，一般示教器上都是提供高度封装的图形化编程界面以及设计良好的HMI，提高用户使用机械臂的便利性。另一方面，红色急停按钮一般需要集成在示教器上，在紧急情况下进行最高优先级急停制动，以提高使用过程中的安全性。
在实际使用过程中，我们将相应的终端执行器集成在机械臂的末端，以提高机械臂的实际操作和抓取能力。一般来说，终端执行器将出现以下三种形式：气动吸盘、爪和灵巧的手，如下图6所示。
气动吸盘在实际工业领域的应用中最为常见，可用于简单可靠的各种平面度较高的物体Pick and Place，但是，它不具备捕获小不规则物体的能力，需要额外集成相应的气泵。整个系统集成度低，一般仅用于工业场所；爪子大大弥补了捕获小不规则物体的能力，不需要额外的外部动力源，与机械臂本身共享直流电源，整体成本可控，简单、稳定、可靠。因此，它是对集成度要求较高的商业场合使用最高的终端执行器方案；在爪子的基础上，灵巧的手改善了对物体的手掌操作（In-Hand Manipulation）能力，即不仅能抓取物体，还能操作物体本身，如按下按钮，打开盖子和其他工作，但相应的缺点是成本太高。一般来说，灵巧手的价格高于合作机械臂本身，因此大多数只适用于特殊需求和科研场合。
在上一章中，我们简要介绍了合作机械臂硬件设计的相关知识。在本章中，我们将简要（流程）地介绍合作机械臂的运动控制，即如何在拥有合作机械臂后控制其运动。相关运动控制的具体细节实际上是一门复杂的独立学科，感兴趣的学生可以阅读The Hand Book of Robotics。
下图7是控制(协作)机械臂最基本的逻辑流程图。
，根据目前的技术水平，这一决策主要是由用户手动发布的。这里需要注意的是，一般来说，这类任务决策是相对具体的指令。例如，可以发布机械臂需要从物体到B点，但不适合发布机械臂帮我打扫房间的指令——后者涉及人工智能层面的多维认知和任务分解，技术难度远远超过机械臂层面的运动控制。
简单地说，机械臂末端的运动轨迹需要分散到空间中的几个点，每个点都反映了相应的位置信息和机械臂到达该点的速度信息，但也涉及到每个点之间的插入值。轨道规划的衡量指标是机械臂的运行是否平稳，一般需要消除极端位置和高速点的出现，以避免机械臂的异常危险运动，如高速和抖动。
轨迹规划发布的笛卡尔空间各点的位置和速度将进入反向运动学解决方案。反向运动学只是给定终端笛卡尔空间的位置，计算机械臂各轴的关节角信息（或角加速度信息，角加速度需要涉及反向动力学）。在具体的解决过程中，我们需要提前建立机械臂DH参数模型，DH参数是在特定设计的坐标系下，用四个参数表达机械臂两对关节连杆之间的位置和角度关系。如果需要逆动力学解决对角加速度，则在DH在参数的基础上，还需要识别机械臂的动力学参数，主要涉及质地、惯性、摩擦力和阻尼。
，相应的驱动器PID控制算法准确跟踪每个角度/角加速度指令，同时通过FOC控制算法将具体的角速指令分解为三相电机的电流矢量指令，控制电机的输出速度和力，支持机械臂完成相应的运动。
在合作机械臂的运动控制领域，必须提到扭矩控制（阻抗控制）。传统的工业机器人通常使用位置控制，即只有闭环控制机械臂末端笛卡尔空间或轴空间的位置轨迹。扭矩控制（阻抗控制）是在位置闭环控制的基础上引入阻抗控制，调节机械臂输出力与位置的关系。
在传统的工业应用中，工业机器人一般只需要遵循严格的位置轨迹来完成相应的生产任务，因为工业生产环境一般是封闭的固定环境，可以准确建模外部环境，没有人类干扰，因此可以保证普通的位置轨迹全与高效的工作。而定位为与人类共同进行生产任务的协作机器臂，因为人类的存在，以及各类非结构化的柔性生产与商业应用场景，单纯的位置控制已经很难满足精细末端操作与安全工作的需要，因此需要引入末端笛卡尔空间与轴空间的力感知能力，去实现一些涉及末端力控打磨、去毛刺、柔性插拔、拖动示教与碰撞检测的特殊任务，更为重要的是在碰撞或者夹持住人类躯干时能够及时停止运作，以保证人机交互过程中的安全性。
介绍完了协作机械臂的基本硬件设计与运动控制，这个章节将通过视频DEMO的形式给大家展现：现阶段协作机械臂到底能够在哪些场景去解决什么样程度的实际问题。
这个DEMO来自于丹麦UR（全球Tier1协作机械臂生产商）与加拿大Robotiq（全球Tier1末端夹爪生产商），展示的是协作机械臂在柔性生产中快速轻量化部署的特性，得益于协作机械臂本体设计的轻量性与上层使用界面的灵活易用。
这个DEMO来自于ROKAE（国内Tier1协作机械臂生产商），展示的是协作机械臂在3C电子中的柔性插拔与拖动示教，得益于协作机械臂关节集成的力矩传感器、阻抗控制与高度封装的示教程序。
这个DEMO来自于美国Rethink（老牌协作机械臂生产商），展示的是协作机械臂在制作咖啡+拉花这样一个商业场景中的应用，得益于协作械臂安全且丰富的人机交互能力。
这个DEMO来自于德国KUKA（最早推出商业化协作机械臂的生产商），展示的是在医康养场景中的理疗按摩，得益于协作机械臂精确且安全的力感知和力控性能。
协作机械臂作为近年来新兴的机器人产物，由于其本体轻量化设计、集成力矩传感器、高性能力控与高度封装的图形化编程界面，使其在智能性、安全性与易用性上相较于传统工业机械臂有较大的提升，但协作机械臂的实际大规模落地应用还面临着成本过高与可靠性较低等问题，就让我们拭目以待协作机械臂未来的发展情况。