當前，隨著人們對工業(yè)、醫(yī)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(zhàn)”。在這一愿景的促使下，雙臂協(xié)作機器人孕育而生。相比單臂機器人而言，雙臂協(xié)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(shù)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(zhàn)，但也是必須實現(xiàn)的目標。

人機協(xié)作機器人有什么優(yōu)勢？它能夠發(fā)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(huán)境下做出判斷和決策。協(xié)作體現(xiàn)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(xié)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(huán)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(huán)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(xiàn)在應用的一般工業(yè)機器人要復雜得多，所以我們應該從系統(tǒng)的規(guī)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(yè)化

機器人理論和實踐的爆發(fā)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(wěn)定性理論、力控制和機器視覺，這些技術(shù)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(fā)射到了軌道，現(xiàn)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(wèi)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(fā)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(shù)應用到了醫(yī)療上面。第一件事，就是我們使用的是八個關(guān)節(jié)的機器人在多倫多兒童醫(yī)院做小創(chuàng)傷手術(shù)，這也是世界上第一次把成功實現(xiàn)攝像頭在人的腹內(nèi)移動，引導醫(yī)生找到創(chuàng)傷面的手術(shù)。第二件事，就是使用NeuroArm II雙臂機器人在核磁共振的條件下，外科醫(yī)生對病人的腦部進行手術(shù)。這兩個項目當中運用了全自適應動態(tài)補償?shù)目刂妻k法，使機器人的精度得到大大提高。

九十年代以后，新的發(fā)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(shù)條件，協(xié)作機器人開始商業(yè)化，這將對人類的生活、工業(yè)發(fā)生很大的影響。我們可以預測，這會像過去的Cell Phone和Internet一樣對人類產(chǎn)生重大的影響。

以人主導與引導

北京大學智能機械系統(tǒng)實驗室在過去一年多的時間里研發(fā)出一款機器人產(chǎn)品 “WEE”?！癢EE”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(guān)節(jié)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(huán)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(xiàn)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(guān)節(jié)，而不需要在系統(tǒng)方面做重新的設計。

WEE

人機協(xié)作機器人有什么樣的技術(shù)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(qū)域。綠色的區(qū)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(qū)域指已經(jīng)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(qū)域就是接觸的區(qū)域，這個區(qū)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(guān)節(jié)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(qū)域的要求來進行調(diào)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(qū)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(jié)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(xié)作機器人達到的指標都要高得多，甚至要高出一個數(shù)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(jié)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(xiàn)了完全的節(jié)偶。理論應該有一種協(xié)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(qū)別的。

我們的控制是結(jié)合時間軌跡和狀態(tài)軌跡，一個臂跟著另一個臂動作的控制方法。我們要把閉環(huán)系統(tǒng)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(xié)同操作、機械和人之間的協(xié)同操作。這個集中點已經(jīng)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。

WEE Control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(jié)偶的。這兩點，我們都做到了。

人機協(xié)作機器人的全方位應用

那么，這個機器人系統(tǒng)有什么應用呢？我們到深圳和其它地方做了很接近的調(diào)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(lǐng)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(xié)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(diào)節(jié)螺栓的高度，使得它輸出的電頻滿足一定的需要。那么，現(xiàn)在普遍是怎么做的呢？是工人兩只手在調(diào)。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(tǒng)來判斷這個機器人應該怎樣調(diào)節(jié)螺栓的高度。這里有一個關(guān)鍵，把第一個螺栓的高度調(diào)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(chǎn)線帶來更多的改進。

下一個十年

現(xiàn)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(jié)構(gòu)，我們可以做二十個關(guān)節(jié)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(shù)可以用來改進現(xiàn)在傳統(tǒng)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(xiàn)在服務機器人的應用多數(shù)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(shù)能力。WEE將會是一個很好的平臺，特別是當它作為一個醫(yī)療機器人時，它的精度和靈巧性可以通過更多的臂來展現(xiàn)出來，所以我們要推出中國自主產(chǎn)權(quán)的品牌，來抵抗中國機器人市場完全被國外品牌所占領(lǐng)，這將是未來十年的時間內(nèi)非常重要的事情。