工业机械臂“客串”触觉设备——效果出乎意料

近期，西班牙纳瓦拉大学Tecnum学院研究团队在《机电一体化》期刊发表了一项研究成果，系统评估了Franka Emika协作机器人作为触觉反馈设备的可行性。触觉设备通过向操作者施加力反馈，使其在虚拟环境或远程操作中感知物体的硬度、纹理和接触状态。传统触觉设备虽精度高，但工作空间小、输出力有限；而协作机器人负载大、工作空间广，具备成为触觉设备的潜力，但其透明度和交互真实感仍需验证。

研究团队从两个极端场景入手评估设备性能：自由运动（用户不受限制地移动机械臂）和高约束运动（模拟接触刚性虚拟墙面）。实验在Franka Emika七轴协作机器人上进行，搭载定制3D打印手柄，用户可在约850毫米工作范围内操作。系统通过机器人内置力矩传感器采集用户施加的力与位移数据，在频域中分析其动态行为。

在自由运动状态下，机器人表观惯量在不同方向存在明显差异：垂直方向约4至5千克，水平前向约12.85千克，呈现各向异性。这种方向依赖的惯性会使操作者在不同方向的操控手感不一致。

在高约束运动状态下，研究在机器人控制回路中加入了虚拟弹簧，模拟与刚性墙接触，测试了600至1400牛顿/米五种刚度系数。结果显示，系统在约2赫兹处出现明显共振峰——在此频率附近，用户只需极小力即可产生较大位移，削弱了“接触刚性物体”的真实感。分析表明，该共振峰源于系统惯量与虚拟弹簧共同构成的欠阻尼二阶系统。

为改善该问题，团队在控制回路中增加了与刚度系数匹配的虚拟阻尼（约100至157牛顿·秒/米），使系统达到临界阻尼状态。实验验证表明，加入适当阻尼后共振峰被有效消除，用户在不同频率下感受到一致的约束力，更接近真实刚性接触体验。

研究指出，协作机器人作为触觉设备的主要挑战在于降低并均匀化表观惯量，同时抑制接触状态下的共振效应。通过合理的控制参数调整，Franka Emika机器人可提供与专用触觉设备相当的性能，为大工作空间、高负载的触觉应用（如工业虚拟仿真和远程操作）提供了低成本的替代方案。

参考文献：Brian, W., Gutierrez, S., & Gil, J. J. (2025). Using Franka Emika collaborative robot as a haptic device. Mechatronics, *106*, 103287.

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