一、協(xié)作機(jī)器人研究現(xiàn)狀

協(xié)作機(jī)器人是能夠在共享空間中與人類交互并開展安全工作的新型機(jī)器人，由于輕量、安全的特點(diǎn)，在柔性制造、社會服務(wù)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，也成為了當(dāng)前學(xué)術(shù)界機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究主題包括：

機(jī)器智能：包括集成機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，提高機(jī)器人的自主性和適應(yīng)性，幫助機(jī)器人參與更加復(fù)雜的協(xié)作任務(wù)。

人機(jī)交互：嘗試解決協(xié)作機(jī)器人如何與人類進(jìn)行有效的合作，并在不同應(yīng)用情景下測試、評估協(xié)作機(jī)器人的人類可接受度。

安全性：解決機(jī)器人與人類協(xié)作時(shí)避免交互意外的問題，包括機(jī)器人視覺、力控等。

應(yīng)用性：緊密結(jié)合具體應(yīng)用場景，研究協(xié)作機(jī)器人在不同行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。

而在全球范圍內(nèi)高校與科研機(jī)構(gòu)的研究中，HJ-FR3一直是熱門選擇：在ICRA2023論文集中就有130余篇論文采用了HJ-FR3機(jī)器人作為研究平臺；作為也是ICRA、IROS等頂尖國際學(xué)術(shù)會議研發(fā)使用最多的機(jī)器人，關(guān)于HJ-FR3的研究成果涵蓋了上述研究熱點(diǎn)，包括自主視覺抓取、多機(jī)協(xié)同工作、人機(jī)交互研究、自適應(yīng)裝配、AR+機(jī)器人、遙操作、主從力反饋、仿生手臂等。

斯坦福大學(xué)基于HJ-FR3開展機(jī)器人目標(biāo)模仿學(xué)習(xí)研究

現(xiàn)任NVIDIA機(jī)器人研究高級總監(jiān)Dieter Fox曾說：“Franka機(jī)器人提供了理想的用于研究機(jī)器人的具備實(shí)時(shí)響應(yīng)和強(qiáng)大操控性能的開源環(huán)境，非常適用于開展機(jī)器人和人類協(xié)同操作方向的研究。”

Dieter Fox的發(fā)言揭示了為何HJ-FR3 如此受學(xué)術(shù)界青睞：強(qiáng)大的機(jī)器人系統(tǒng)與開源的FCI控制接口，使其在眾多協(xié)作機(jī)器人中脫穎而出。

二、HJ-FR3的科研優(yōu)勢

HJ-FR3作為專門面向科研領(lǐng)域的協(xié)作機(jī)器人，始終保持著對最前沿機(jī)器人技術(shù)的探索。HJ-FR3具備7個(gè)軸，每個(gè)軸上都配備了行業(yè)領(lǐng)先的13位高精度扭矩傳感器，重復(fù)精度高達(dá)0.1毫米。精確力控的機(jī)器人系統(tǒng)，為HJ-FR3開展更加復(fù)雜的機(jī)器人研究奠定了基礎(chǔ)；且能輕松實(shí)現(xiàn)拖拽示教，提高編程效率。

最重要的是，HJ-FR3為科研人員提供了機(jī)器人控制和學(xué)習(xí)能力的底層訪問權(quán)限。HJ-FR3機(jī)器人具備多樣的接口（DESK、RIDE、FCI），可以充分滿足不同科研場景的需求，如下表所示：DESK提供基于應(yīng)用程序的用戶界面，通過拖放實(shí)現(xiàn)簡單快速的任務(wù)編程，適合初學(xué)者；RIDE可集成外部功能，如附加傳感器和攝像頭，用于創(chuàng)建高性能機(jī)器人技能；而FCI接口和其C++實(shí)現(xiàn)libfranka，可以與最流行的生態(tài)系統(tǒng)ROS、ROS2以及MATLAB集成，為科研人員提供了最大程度的便捷。

1.靈活的FCI接口

HJ-FR3機(jī)器人附加的實(shí)時(shí)控制接口FCI (Franka Control Interface)，是開展力控制、運(yùn)動(dòng)算法、抓取策略、交互場景、觸覺感知和機(jī)器學(xué)習(xí)等研究和測試的理想平臺。

FCI控制接口允許與機(jī)械臂進(jìn)行快速直接的底層雙向連接。它為科研人員提供機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并通過以太網(wǎng)連接的外部工作站PC實(shí)現(xiàn)直接控制。此外，F(xiàn)CI接口還能提供1kHz下的實(shí)時(shí)控制值、實(shí)時(shí)測量值等信息。

2. 強(qiáng)大的libfranka

libfranka 是FCI客戶端的C++實(shí)現(xiàn)。它處理與 Control的網(wǎng)絡(luò)通信并提供接口以易化：

通過使用我們的開源C++接口libfranka，可以使用5 種不同的接口（C++、ROS、MoveIt、MATLAB、Simulink）以1kHz的頻率發(fā)送實(shí)時(shí)控制值，包括：

●帶重力和摩擦力補(bǔ)償?shù)年P(guān)節(jié)扭矩命令

●關(guān)節(jié)角度或速度命令

●笛卡爾位姿或速度命令

同時(shí)，可以訪問 1kHz測量值：

●測量的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，例如角度、角速度和連桿側(cè)扭矩傳感器信號

●估算的外部施加的扭矩和力

●各種碰撞和接觸信息

還可以訪問機(jī)器人模型庫model library，該庫提供：

●所有機(jī)器人關(guān)節(jié)的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)

●所有機(jī)器人關(guān)節(jié)的雅可比矩陣

●動(dòng)力學(xué)方面：慣性矩陣、科式力項(xiàng)和離心矢量項(xiàng)和重力矢量項(xiàng)

三、應(yīng)用舉例

HJ-FR3機(jī)器人與整個(gè)ROS生態(tài)系統(tǒng)集成，將libfranka集成到ROS Control，還包括機(jī)器人和末端執(zhí)行器的URDF模型和詳細(xì)3D網(wǎng)格，允許實(shí)現(xiàn)可視化（例如 RViz）和運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬。MoveIt!集成使移動(dòng)機(jī)器人和控制夾爪變得容易。

以仿真石頭從A運(yùn)輸?shù)紹的取放程序?yàn)槔ㄟ^ Gazebo GUI，可以在其中看到帶有石頭和RViz 的環(huán)境，并用它來控制機(jī)器人的末端執(zhí)行器位姿。

取放示例的Gazebo GUI（左）和RViz（右）

要打開夾爪，只需向move action發(fā)送一個(gè)目標(biāo)。科研人員可以使用開源例程，使用 RViz 中的交互式標(biāo)記Gizmo移動(dòng)末端執(zhí)行器。移動(dòng)機(jī)器人，使白色石頭位于夾爪的手指之間，準(zhǔn)備好被撿起。然后，我們只需要使用grasp action來在抓握后施加一個(gè)力，使物體不掉落。如果抓取成功，夾爪將把石頭挪移到位。如果不是，則可能是目標(biāo)公差太小并且action失敗。現(xiàn)在將物體輕輕地移到紅色的落點(diǎn)區(qū)域，將其放在紅色墊子上后，通過夾爪的stop action停止抓握。

>>總而言之，HJ-FR3具備精準(zhǔn)力控的機(jī)器人系統(tǒng)與集成流行生態(tài)的FCI控制接口，并提供直觀的編程界面和便捷的拖拽示教功能，為科研人員縮短了學(xué)習(xí)周期，提高了研究效率。

審核編輯 黃宇