機器人的高精度抓取和裝配

在高精度的抓取和裝配工作中，僅僅依靠機械手本身的精度不能滿足任務要求。近期在IEEE TRANSACTIONS ON MECHATRONICS 上發(fā)表的一篇名為《A Survey of Methods and Strategies for High-Precision RoboticGrasping and Assembly Tasks—Some New Trends》的文章對近年來在機器人高精度抓取和裝配方面的研究工作進行了分類、回顧和比較，并闡述了該領(lǐng)域的研究趨勢。

文章介紹了高精度機器人操控的五類方法:（1）基于傳感信息的方法（2）基于柔順機構(gòu)的方法（3）基于環(huán)境約束的方法（4）基于感知約束集成的方法（5）仿生的方法。如圖1所示，示意圖展示了五類方法之間的差異。在機器人操控中，主體是機器人的手臂和手，客體是環(huán)境和被操控的對象。虛線表示傳感信息，回路表示傳感器感知到的最新狀態(tài)。                           

圖1 高精度機器人操控方法類型（1）基于傳感信息的方法（2）基于柔性機構(gòu)的方法（3）基于環(huán)境約束的方法（4）基于感知約束集成的方法（5）仿生的方法

1、基于感知信息的高精度機器人操控方法

典型的用于機器人操控任務的傳感器主要包括視覺傳感器、距離傳感器和力/扭矩傳感器，如圖2所示。

圖2 應用在機器人操控任務中的典型傳感器（1）高速工業(yè)相機（2）智能工業(yè)攝像頭（3）激光距離傳感器（4）立體相機（5）結(jié)構(gòu)光傳感器（6）飛行時間相機（7）關(guān)節(jié)扭矩傳感器（8）腕力/扭矩傳感器（9）手指壓力傳感器（10）手指觸覺陣列

1）視覺傳感器

首先，視覺傳感器可用于目標識別和姿態(tài)估計，許多計算機視覺算法被用于機器人操控[1]-[7]。其次，視覺傳感器可以用于測量和定位。根據(jù)雙目或多目視覺系統(tǒng)的視差原理，可以計算出目標物體的位置和方向。在[8]中開發(fā)了一種基于多功能立體視覺系統(tǒng)的立體視覺分割方法，它可以測量和跟蹤具有曲面的物體的位置和方向[9]。在[10]中提出了一種用于已知目標三維姿態(tài)估計的視覺引導機器人系統(tǒng)，可以有效地抓取3-D目標。[11]中設(shè)計了一個高精度視覺伺服微裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠做到微軸孔對準與軸孔裝配同時進行。研究人員利用視覺信息，提出了一種基于支持向量機(SVM)與主元分析(PCA)融合的區(qū)間估計優(yōu)化算法，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)[12]訓練機器人終端運動參數(shù)，規(guī)劃運動軌跡。

2）距離傳感器

距離傳感器可以感知目標點和傳感器之間的距離，采用如立體三角測量、光片三角測量、結(jié)構(gòu)光、飛行時間、干涉測量、編碼孔徑測量等方法獲取數(shù)據(jù)。

以下是機器人操控任務中常用的幾種距離傳感器：（1）激光測距傳感器可以快速準確地獲取傳感器與目標[13]之間的距離，主要缺點是成本高。（2）立體相機：使用兩臺相機拍攝圖像，使用匹配算法或三角測量[14]-[17]計算距離。它的硬件復雜度適中，但計算復雜度較高且在弱光或圖像特征不清晰的情況下不能正常工作。（3）結(jié)構(gòu)光傳感器，通過計算光的變形，向物體發(fā)射可控結(jié)構(gòu)光，獲取目標參數(shù)。結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點是獨立于場景，降低了匹配的難度。缺點是多個傳感器的相互干擾，不能在強光下工作。（4）飛行時間相機，通過連續(xù)發(fā)送光脈沖，接收物體返回的光，記錄光的飛行時間，得到距離。與激光測距傳感器相似，這種傳感器具有良好的精度和魯棒性但部署成本高。

距離傳感器(圖2，圖片3-6所示)可以進行目標測量和姿態(tài)估計。在[18]中利用立體三角測量法實現(xiàn)了基于手眼立體相機的目標三維建模，并提出了一種分析方法來判斷給定對象在真實環(huán)境下的局部和全局可達性。

3）力傳感器

在機器人操控中，力/扭矩信息被廣泛用于消除零部件的微小位姿誤差。機器人操控中常用的力傳感器（圖2，圖片7-10所示），包括六軸力/扭矩傳感器和觸覺傳感器。前者通常安裝在機器人的關(guān)節(jié)和手腕上，通過剛性連接感知物體上的力或扭矩；后者主要安裝在機械手指尖或手掌上，用來感知對應機械部分的正壓力。

（1）關(guān)節(jié)扭矩傳感器：將傳感器安裝在機器人的關(guān)節(jié)上，獲取機器人運動時的扭矩信息。一方面，利用關(guān)節(jié)扭矩來識別機器人與物體之間的接觸關(guān)系。另一方面，關(guān)節(jié)扭矩信息常用于機械手的柔性控制。在[19]中提出了一種利用模糊推理機(FIM)進行裝配的方法，該方法可以根據(jù)裝配過程中的接觸信息快速推斷出當前的接觸狀態(tài)。研究人員設(shè)計了一種基于關(guān)節(jié)扭矩信息的柔性控制器，在關(guān)節(jié)機械阻抗未知的情況下調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器的柔性。[20]將主動柔度控制算法與被動柔度機制相融合，在基于肌腱驅(qū)動的機械手平臺上實現(xiàn)了安全的人機交互。研究人員利用關(guān)節(jié)力矩信息設(shè)計了平衡前饋控制器，通過迭代學習控制[21]實現(xiàn)類人運動。

（2）腕力/扭矩傳感器:與關(guān)節(jié)扭矩傳感器類似，腕部傳感器既可用于確定機器人與物體之間的接觸狀態(tài)[22]，也可用于確定機器人操控系統(tǒng)的慣性參數(shù)[23]。在[24]中提出了一種利用力或扭矩信息準確識別在位置/方位不確定條件下的接觸狀態(tài)的方法。[25]實現(xiàn)了一種基于力/扭矩傳感信息的準靜態(tài)分析方法。當機器人遇到較大的方向誤差時，該方法可以有效地調(diào)整力/扭矩。由于力/扭矩信息在裝配過程中是局部和瞬態(tài)的，研究力矩信息與其他全局信息如何融合在一起是一個很有價值的發(fā)展方向。如何平衡準確性和靈敏度之間的矛盾[26]，以及如何實現(xiàn)各種接觸/非接觸狀態(tài)之間的有效切換[27]也是人們感興趣的問題。

（3）手掌和指尖觸覺傳感器:將觸覺傳感器安裝在手掌或手指的末端，獲取接觸力或壓力。它們通常用于接觸狀態(tài)識別[28]，用于摩擦估計[29]，或用于抓取過程中的滑移檢測[30]。為了解決抓取問題，研究人員對抓取接觸模型做了大量基礎(chǔ)性工作[31]-[33]。[34]-[36]中對機器人柔性手指抓取模型進行了一系列研究。研究者使用安裝在靈巧手上的接觸傳感器來高精度、高速地估計平面物體的位置和方向。[37]設(shè)計了一種利用觸覺信息作為反饋來分析抓取成功率的算法。利用人工智能方法分析觸覺傳感器獲取的信息是一種趨勢。清華大學孫富春教授團隊提出的基于極限學習機(ELM)的觸覺感知識別方法[38]。此外，[39]使用監(jiān)督學習方法，預測抓取過程中發(fā)生的滑移情況。[40]利用視覺信息和電子信息設(shè)計了一種觸覺傳感器的替代品，將循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(RNN)和長短時記憶(LSTM)網(wǎng)絡相結(jié)合，來識別可變形和不可變形物體的變化模式。

2、基于柔性機構(gòu)的高精度機器人操控

在機械工程中，柔性機構(gòu)是通過彈性體的變形來傳遞或轉(zhuǎn)換運動、力或能量的柔性機構(gòu)。使用柔順機構(gòu)可以實現(xiàn)機器人手臂或手的被動柔性運動，從而允許在這種運動過程中消除裝配部件之間的位姿誤差。典型的裝置包括遠端柔性中心(RCC)和可變阻抗執(zhí)行器(VIA)。

圖3 一般RCC的機械結(jié)構(gòu)

 （1）遠端柔性中心(RCC)

RCC是由Whitney和Nevins發(fā)明的，用于幫助機器人完成插入和裝配任務[41]。在他們的研究中，他們廣泛地討論了機器人的插入過程[42]。在插入過程中，銷釘會在軸向旋轉(zhuǎn)夾持器下傾斜，這稱為柔性中心。如圖3所示，RCC裝置實際上是一個有6個自由度的彈性機構(gòu)，可以改變系統(tǒng)柔度中心的位置。在[43]中開發(fā)了一種具有計算機可調(diào)阻抗的主動柔性末端執(zhí)行器。目前，將RCC與其他設(shè)備或控制方法相結(jié)合是非常有研究價值的課題。

圖4  單自由度VSA與環(huán)境相互作用的質(zhì)量模型

（2）可變剛度執(zhí)行機構(gòu)（VSA）

一種新型執(zhí)行器VSA被引入實現(xiàn)與環(huán)境的柔性交互，如圖4所示。目前，[44]提出了一種利用VIAs進行軸孔裝配的低成本解決方案。[45]中提出了一種新的VSA設(shè)計，該設(shè)計考慮了在運動執(zhí)行過程中改變傳動剛度的可能性，因此，在保持低傷害風險水平的同時，允許大幅度的運動加速。目前，許多使用VSAs代替剛度電機的機器人手臂和手的原型正在開發(fā)[46]-[48]。

VSA對于機器人抓取和裝配特別有用，它將執(zhí)行柔性運動的能力整合到執(zhí)行器中，這大大降低了設(shè)計帶有外力或扭矩傳感器的柔性控制器的難度。目前關(guān)于VSA的討論主要集中在如何達到給定目的的最優(yōu)設(shè)計方案。

3、基于環(huán)境約束的高精度機器人操控

除了使用柔性機構(gòu)來提供機器人高精度操控所需的柔度外，機器人與被操控對象之間還存在廣泛的約束條件，如配置約束和力約束。利用這些約束條件，特別是在給定系統(tǒng)中的傳感信息未知或部分未知的情況下可以為機器人設(shè)計一個有效的操控策略，典型的方法包括環(huán)境吸引區(qū)(ARIE)和籠型。

（1）環(huán)境吸引區(qū)

ARIE是環(huán)境形成的約束區(qū)域，存在于機器人系統(tǒng)的構(gòu)型空間中。ARIE的概念最早在[49]中提出。[50]進一步討論了在生產(chǎn)中實現(xiàn)無傳感器高精度操控機器人的概念。通過利用構(gòu)型空間中的環(huán)境約束，無需力傳感器即可在物理空間中進行高精度裝配（參見圖5）。

圖5  R3空間中的兩個復雜部分及其對應的ARIE 

左：復雜零件的接觸狀態(tài) 右：ARIE中的相應點

 基于該理論，目前完成了多個高精度的機器人操控任務。例如，在汽車制造業(yè)，利用基于ARIE的方法設(shè)計了一種偏心的無釘孔傳感器組裝系統(tǒng)[51]。研究人員還開發(fā)了一種基于視覺的三維抓取規(guī)劃方法，僅需要一張[52]圖像。在最近的研究中，[53]不僅討論了ARIE的定義和廣義條件，給出了ARIE的一般數(shù)學描述，分析了在不同構(gòu)型空間中ARIE存在的條件，而且重點討論了高、低維空間中ARIE的關(guān)系。

（2）籠型

提出籠型問題是為了找到一組手指的放置點，該手指的放置可以防止多邊形任意移動遠離其給定位置[54]�；\形理論可以應用于機器人抓取領(lǐng)域。[55]研究了籠型構(gòu)型與抓取構(gòu)型之間的關(guān)系。[56]將抓握的工作擴展到了籠形，使用特征形狀來降低靈巧手的維度，還利用空間映射有效地測量了籠型的魯棒性。[57]-[59]提出了一種基于視覺的工業(yè)夾持器的籠型抓取算法。[60]結(jié)合了籠式抓取和強制閉合抓取的優(yōu)點，使不同的抓取器能夠快速抓取未知的平面物體。在[61]中提出了一種受繩索啟發(fā)的籠式抓握方法，可以保證局部穩(wěn)定抓握。

4、基于感知約束集成的高精度機器人操控

從不同的空間將感知信息和環(huán)境約束集成到一個統(tǒng)一的框架中，引入環(huán)境約束區(qū)域(CRIE)概念。CRIE有兩個基本功能: 因為環(huán)境約束細化并揭示了一些狀態(tài)，它可以作為隱含傳感器來檢測系統(tǒng)的當前狀態(tài)；由于傳感信息利用了理想場景和真實場景之間的差異，因此它可以作為一個錯誤檢測器。[62]通過分析人手的解剖結(jié)構(gòu)及其控制機制來探討機器人手的柔順性。[63]提出了一種具有環(huán)境約束區(qū)域的柔性機器人抓取策略，該策略可以根據(jù)近似的接觸力方向調(diào)整抓取構(gòu)型。

除了將傳感信息與環(huán)境約束結(jié)合在一個空間之外，還可以采取傳感信息對環(huán)境約束（或環(huán)境約束對傳感信息）進行補償?shù)姆绞�。[64]提出了一種綜合抓取問題的解決方案，該方案在滿足所有必要約束條件的情況下，可以為特定的任務找到抓取給定對象的最優(yōu)手構(gòu)型。[65]研究了一種人手和人造手抓取和主動觸摸的建模方法。[66]研究了人類如何決定操控未知物體所需的抓取力，從而將人類抓取物體的策略應用到機器人系統(tǒng)中。

5、仿生的方法

人手的靈活性可以實現(xiàn)高精度的操作，因此研究人手的結(jié)構(gòu)和控制機制可以改進現(xiàn)有機器人系統(tǒng)的設(shè)計，提高機器人操控的柔順性。文中提出了兩點：

       （1）機器人末端執(zhí)行器的耦合冗余結(jié)構(gòu):目前，大多數(shù)機器人的手臂和手都采用了解耦控制，然而，手部運動是三維空間中各運動位置的疊加，運動誤差是各電機誤差的疊加。如果機器人的末端執(zhí)行器能夠以適當?shù)姆绞綄崿F(xiàn)耦合和冗余結(jié)構(gòu)，則可以使運動更加柔順。 一些研究者設(shè)計了具有肌腱結(jié)構(gòu)的新型機器人手，可以在未知環(huán)境下更好與目標進行交互。在[67]中提出了一個具有冗余肌腱驅(qū)動和多邊約束的機器人操控系統(tǒng)建模的通用框架。在[68]中介紹了一種由肌腱驅(qū)動手指的仿生機器人手。在[69]中提出了一種基于肌腱驅(qū)動的機械手優(yōu)化方法，該方法可以優(yōu)化肌腱驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以獲得最大的承載力。

（2）柔性控制策略:通過上述手臂和手的耦合冗余結(jié)構(gòu)，學習通過柔性控制策略實現(xiàn)高精度的操控。文中討論了兩種主要的控制策略。

策略1:系統(tǒng)需要大致了解手臂、手腕和手的精確程度。通過對手指的適當控制，對手臂和手腕的運動誤差進行補償。

策略2: 人類學習控制手主要是基于經(jīng)驗。如果耦合冗余結(jié)構(gòu)在機械手上實現(xiàn)，可以利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡，通過強化學習和轉(zhuǎn)移學習來實現(xiàn)柔性控制策略。

6、總結(jié)

五類操控高精度機器人的方法及每種方法的特點如圖6所示。目前，對高精度機器人控制的研究仍集中在基于傳感器信息的方法上。力或扭矩信息在較低層次的控制方案實現(xiàn)中起著重要作用，基于視覺和距離的信息方法在較高層次的識別、測量和學習中發(fā)揮了重要的作用。一般來說，這些方法的精度主要取決于所用傳感器的精度，因此，對傳感器的改進有很多研究工作要做。

圖6 在利用傳感器和約束方面每種方法的特點

 基于柔性機構(gòu)的方法是解決機器人高精度軸孔裝配問題的經(jīng)典方式。RCC設(shè)備為標準的軸孔裝配任務提供了一種實用的解決方案，而VSA通過增強驅(qū)動機制，為實現(xiàn)柔順運動提供了另一種可能方式。用基于環(huán)境約束的方法來實現(xiàn)高精度機器人的控制是一種新思路。這種方法利用操控過程中的內(nèi)在信息，避免了額外信息的干擾。感知約束集成方法和仿生方法也提供了實現(xiàn)柔順靈巧操控系統(tǒng)的可能性，非常具有研究價值。未來在以下三個方面仍有深入研究的價值，包括：用基于學習的操控方法，提高機器人系統(tǒng)的智能；用感知約束集成方法，減少機器人系統(tǒng)對高精度傳感信息的依賴；用仿生的方法，增強機器人系統(tǒng)的柔順性。