17、协作机器人无传感器动态控制技术与应用探索

协作机器人无传感器动态控制技术与应用探索

1. 机器人发展背景与协作机器人的诞生

在当今的制造过程和工业自动化等众多领域中，机器人已经扮演着至关重要的角色。其中，工业机器人凭借其大负载、高刚度和快速运动的特点，成为了最为常用的机器人类型。然而，出于安全考虑，这些工业机器人必须与人类操作员隔离开来。

但人们发现，在许多任务中，人与机器人的协作能够取得更好的效果。例如，当全自动化解决方案不经济或过于复杂时，部分自动化任务可以通过人机协作来完成；在非人体工程学工作站的任务中，人机协作也能发挥重要作用。机器人擅长简单但重复性的任务，而人类则具有独特的认知能力，能够理解和适应变化，因此人机协作可以实现更好的性能和更广泛的应用。

为了满足这些需求，协作机器人应运而生。协作机器人采用了用户友好的外观设计、较轻的自重和较慢的运动速度，以降低人类操作员的心理障碍并减少潜在风险。除了机械设计方面的优势，协作机器人的人机协作理念及其安全性也是其显著特点，这些特点主要通过机器人控制，特别是动态控制来实现。

2. 动态控制概述与无传感器动态控制的意义

与传统的位置控制不同，动态控制主要处理机器人与环境（包括人类操作员）之间的相互作用力，并能够实现新的功能，如碰撞检测、示教和力跟踪等。然而，大多数实现动态控制的方法都需要额外的传感器，如末端执行器或基座处的力/扭矩传感器（FT 传感器）以及关节扭矩传感器。但这些传感器存在一些问题，如高脆弱性、增加硬件成本和降低负载能力等。因此，研究机器人的无传感器动态应用具有重要的学术和实践价值。

3. 无传感器动态控制的关键技术

3.1 电机输出扭矩估计

无传感