聊聊 iiwa 機器人及其衍生作品
1.iiwa機器人的發展歷史
研發這款機械臂的DLR下屬研究所是機器人和機電一體化研究所（DLR Institute of Robotics and Mechatronics），總體研發時間約為15年，而且作為核心研究課題超過20年，其他很多擴展課題都是依據這一系列的機械臂的核心技術展開的，第三部分也會提到一些。
要記住一個名字，這款機械臂研發的領軍人物Alin Albu-Schaffer。
官方說法是DLR LBR I 於1995年設計完成，DLR LBR II 於2000年完成設計，前兩代的設計用於DLR LBR III 並於2003年完成。2004年DLR LBR III就被license 給了KUKA公司，之後在KUKA 繼續研發出了KUKA LBR 4 (2008年)和KUKA LBR 4+ (2010年) ，以及最終版的 KUKA LBR iiwa (2013年)，分別有7公斤和14公斤兩個版本。
2.產品簡介及特點
- 產品組成
產品主要有4大件組成：
1-機械臂本體；
2-機器人控制櫃（KUKA Sunrise Cabinet）;
3-示教器（KUKA smartPAD）；
4-安裝KUKA Sunrise.Workbench 的開發計算機(這個是用戶自己採購)；
機械臂不同的使用和操作任務根據複雜度區分，由上面的3和4分別承擔。
- 產品基本參數
可以看出，重複定位精度是±0.1mm/±0.15mm, 相對於傳統工業機器人號稱的±0.02mm是差了點。
- 冗餘自由度
LBR不是第一款7自由度協作機械臂（我覺得第一款應該是Barrett WAM機械臂），但是至少LBR是最出名的一款。7自由度帶來的好處很明顯，即逆解無窮多，這樣就能增加一個第二優先順序的控制給到各個關節，而且不改變第一優先控制的末端位置和姿態（稱為零空間運動控制），最終能夠實現狹小空間或者有障礙物空間的末端控制。
- 高自重負載比
DLR號稱自重負載比可以達到1:1（可能是在極限情況下），在設計的時候避免了將機器人設計的傻大笨粗來保證控制精度，而是給機器人增加了觸覺，從而使得機器人可以去感受正確的控制位置（比如插孔動作），通俗的來說就是更加擬人化。
其實現方法是增加了連桿端的編碼器感測器和關節力矩感測器：機械臂的振動可以被測量出來，然後靠主動阻尼減震，因此機器人的動態運動性能可以得到極大提高；另外也可以以最快的速度檢測出與環境的碰撞，極大的提高了與環境交互的能力。
- 安全性（協作）
這個特點也是iiwa的主打產品特點之一，畢竟要跟人協作（HRC）。
元老級大神Alin Albu-Schaffer 和 Alessandro De Luca ，以及新大神Sami Haddadin在這方面做出了很多研究，不過也基本上都公佈了出來，可以參考另一篇專欄文章師雲雷-許三多：閱讀理解：Robot Collisions。
要安全，首先要檢測出來不安全的碰撞，目前KUKA官網公佈的關節力矩感測器精度是±2% of the maximum torque，理論上說這個精度已經很高了（相對於無力感測器的協作機器人，當然皮膚感測器協作機器人精度會更高），可以看下圖介紹的各關節最大力矩。
檢測到不安全的碰撞之後就要採取措施，可以採用的措施一般有立刻停止、立刻反向運動、變換到零力模式等，不過KUKA 似乎主要用了立刻停止這個最保守的方法。根據IEC 60204-1定義了兩種停止策略，緊急停止stop0和path-maintaining stop1。
KUKA給出了最惡劣情況下關節1-4的stop0的停止距離作為參考，如下表：
3.關鍵技術
- 全狀態反饋關節控制器
這個自然是DLR的獨門絕技，使用 作為關節控制器的輸入，能夠實現降低電機轉子慣量提高動態響應的效果，也同時降低了摩擦力的影響，另外有了關節力矩信息，也可以使用很多其他基於模型的控制演算法。
公式就是文章上面寫的公式，網上一搜一大堆（Alin大爺真是能寫文章），但是關鍵在於理解和應用，以及有良好硬體的支持，幾方面缺一不可。我覺得德國人能先在這方面取得突破，其機械電子方面的優勢應該是關鍵原因之一。
- 關節力矩感測器
力矩感測器屬於機械電子關鍵技術，我不是很熟悉，我覺得這方面也是有門檻的，包括精度提高、傾覆力矩影響降低等等。不過國內目前也能買到不錯的力矩感測器了，南寧宇立（SRI）應該是國內做的很不錯的一家，此處免費給黃約博士打個廣告。
4.DLR其他相關研究與應用
- collision detection
這應該是De Luca和Sami在LBR機械臂上做的傑出成就，最終能做到LBR持刀砍人而不傷，youtube上有不少視頻。最終還改寫了歐盟協作機器人的標準數據。
- SMErobotics
這個項目旨在提升歐盟製造業，加強製造業中小企業的競爭力，iiwa在其中主要負責與人協作交互及認知功能。項目結束於2016年6月。http://www.smerobotics.org/
- Rollin Justin/SpaceJustin（2008年公開）
這倆也是DLR的明星課題了，出鏡率很高，這款機器人的雙臂都是LBR機械臂，機械手是DLR-HIT Hands II,，不過服務機器人我現在瞭解的還不多，所以不多介紹。
- MIRO /MiroSurge（分別與2008年和2010年公開）
單臂叫做MIRO，3臂系統叫做MiroSurge，這個技術也已經license給了美敦力，目前在做產業化，不過說好的2018年進臨牀放水了，我另一篇專欄有詳細介紹：師雲雷-許三多：MIRO手術機器人簡介（DLR+MEDTRONIC 2018年即將面世，新消息項目延期了···）
- David（2010年公開）
這款機器人主要的特點是手臂關節機械剛度可調節，開發目標是更加仿人，而且是從機構層面仿人。
- TORO（2013年公開）
腿式人型機器人，早期用了較多LBR的關節，不過到後期就換成了可變剛度的上肢。
- SARA robot（2018年公開）
SARA是DLR研發的最新一代輕型機械臂「Safe Autonomous Robotic Assistant「，我覺得這款機械臂應該是LBR的大規模軟硬體升級版。
冗餘自由度加良好的摺疊性及較短的腕部軸使得機器人更加靈巧，以單薄的身體實現12公斤的負載，在機構設計、材料、控制方面應該做的更先進。
另外除了每個關節都安裝力矩感測器外，在機器人基座和末端都安裝了力和力矩感測器，算是在力感測器方面也做了冗餘。
5. 總結
感覺總結下來，DLR的機器人所發展思路是以點帶面（力控），一點突破（力控機械臂）、全面開花（各種應用），DLR下屬有很多個所，機器人所只是其中一個，但是機器人所目前在機器人界已經站穩第一梯隊研究機構的位置，這種發展思路是很值得借鑒的。
下面插播兩條消息（讀書人的事情，怎麼能叫廣告呢）：
1-哪位朋友對採購便宜二手iiwa（KUKA LBR iwa 14 R820）感興趣的，可私信或者微信聯繫我（有微信發微信沒微信就私信），我德國朋友有閑置二手iiwa出售，價格保證比新品低很多可幫忙運會國內。不過也不會白菜價那麼便宜啦，感覺跟二手車貶值效果差不多，就算便宜也要幾萬歐元的（新品價格11-12萬歐元）；
2-哪位朋友對DLR-HIT Hands II 機械手感興趣想採購的，也可以聯繫我，找我代購可以便宜（配置不同約6萬歐元）。另外有簡化版輕量化新款，價格1萬歐元左右。
產品參數介紹見鏈接： DLR - Institute of Robotics and Mechatronics - DLR-Hit Hand II
上述兩款產品是有硬體介面可以連接的，如果有工業界或者學術大佬同時購買上述兩款產品，那麼你就相當於集齊7顆龍珠，可以召喚各種神奇演算法。
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