论文标题：Human–Robot Collaboration Framework Based on Impedance Control in Robotic Assembly

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.08.022

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来自华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室陶波教授团队在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Human–Robot Collaboration Framework Based on Impedance Control in Robotic Assembly”的研究成果，提出了一种基于阻抗控制的人机协作理论框架，并将其应用于机器人装配领域。

随着产品生产向客制化发展，机器人装配产线面临柔性化任务的挑战，而人机协作成为解决这一问题的关键。该研究提出的人机协作框架中，人作为决策者，机器人作为执行者，装配环境提供约束。机器人具备位置控制、拖动控制、正阻抗控制和负阻抗控制等多种方式。

图1. 基于阻抗控制的人机协作框架。人是决策者,机器人是执行者, 装配环境提供环境约束。

研究人员详细介绍了这四种控制模式。位置控制模式下，机器人系统刚度高，能精确跟踪参考轨迹；直接示教模式方便操作员将轨迹导入机器人；正阻抗控制模式使机器人接触外部障碍物时可调节阻抗响应；负阻抗控制模式虽可能导致不稳定，但能产生大脉冲力，在特定装配场景中具有重要意义。通过调整力反馈和状态反馈增益，可实现不同控制模式的切换，满足不同装配任务需求。

此外，论文还探讨了人机协作模式的切换条件和稳定性分析。模式切换条件涵盖轨迹学习、工作空间限制、安全原则、接触力需求和任务需求等方面。研究人员利用 Lyapunov 稳定理论分析系统稳定性，得出人机交互的稳定性条件。仿真研究进一步验证了该框架在不同控制模式下的性能，如模式 I、II 和 III 中交互系统稳定，模式 IV 中负刚度可能导致不稳定，但模糊切换法则可减少系统振荡。

在人机协作装配实验环节，研究人员使用 UR5 机器人进行了两项实验。一是将支撑梁插入环形结构，装配公差为 0.08mm，实验利用不同控制模式的优势，成功在 50s 内完成装配任务；二是进行过盈配合实验，应用负阻抗控制模式实现较大相互作用力，完成了过盈配合装配。这两项实验表明，人机协作装配能发挥人与机器人的互补优势，适应复杂装配任务，且装配精度较高。

该研究成果为机器人装配领域的人机协作提供了新的理论框架和实践方法。未来，研究人员计划进一步探索基于人的操作意图的智能模式切换规律，推动人机协作技术在工业生产中的更广泛应用。

引用信息：Xingwei Zhao, Yiming Chen, Lu Qian, Bo Tao, Han Ding. Human-Robot Collaboration Framework Based on Impedance Control in Robotic Assembly. Engineering, 2023, 30(11): 83–92

开放获取论文：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.08.022

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