協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)綜述

李丁丁，石秀敏，鄧三鵬，祁宇明，陳 偉，周裔揚(yáng)，周旺發(fā)

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究院；天津 300222；2.天津市智能機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300352）

0 引言

制造業(yè)作為實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，一直以來(lái)都是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力和重心，2015 年國(guó)務(wù)院在印發(fā)的《中國(guó)制造2025》中對(duì)當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的形勢(shì)及其方向任務(wù)做了深入的分析，同時(shí)清晰的指出制造業(yè)的發(fā)展轉(zhuǎn)型任務(wù)是推進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的必要工作。因此，如何提高制造業(yè)中各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新能力水平及提高企業(yè)全員勞動(dòng)生產(chǎn)率，是推動(dòng)當(dāng)前我國(guó)從傳統(tǒng)制造國(guó)家到現(xiàn)代化制造強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵[1]。2020 年由于全球新冠疫情的蔓延，越來(lái)越多的企業(yè)考慮通過(guò)使用機(jī)器人配合員工提高生產(chǎn)質(zhì)量和降低人工使用成本。

協(xié)作機(jī)器人相比于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人也具有更加安全、簡(jiǎn)單的工作優(yōu)勢(shì)，具備較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿2]。協(xié)作機(jī)器人安全性和操作的簡(jiǎn)潔性、靈活性不斷提高，優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮，在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，包括焊接、無(wú)人零售、裝配、物流、醫(yī)療、教育等。隨著基于深度學(xué)習(xí)和多傳感器信息融合技術(shù)在協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用上的深入研究，協(xié)作機(jī)器人與外圍設(shè)備也在不斷進(jìn)行技術(shù)融合，這進(jìn)一步增強(qiáng)了協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在下游應(yīng)用場(chǎng)景中的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 協(xié)作機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

協(xié)作機(jī)器人概念于1996 年被首次被提出，經(jīng)過(guò)近30 年的研究發(fā)展，機(jī)器人硬件和傳感器技術(shù)水平都有了較大的提升，許多品牌機(jī)器人制造商開(kāi)始對(duì)協(xié)作機(jī)器人投入研發(fā)，并推出各自的產(chǎn)品。2014 年庫(kù)卡公司推出LBR iiwa 重復(fù)精度士0.03 mm，采用全鋁外殼，具有7 個(gè)自由度[3]。2015 年ABB 公司正式公布YuMi 雙臂協(xié)作機(jī)器人，這在當(dāng)時(shí)尚屬首例。發(fā)那科2015 年發(fā)售的CR-35iA，外部包裹軟護(hù)罩，還加載了視覺(jué)系統(tǒng)。安川公司2015 年推出HC10，可以根據(jù)工作場(chǎng)景切換為“協(xié)作模式”和“高速工業(yè)式”。國(guó)內(nèi)協(xié)作機(jī)器人中具有代表性的有遨博的AUB0-i5 作業(yè)半徑886.5 mm、哈工大的輕型協(xié)作機(jī)器人T5 質(zhì)量22.1 kg 作業(yè)半徑卻可達(dá)850 mm、大族的Elfin 單臂負(fù)載能力為5 kg，作業(yè)半徑達(dá)800 mm、新松的柔性協(xié)作機(jī)器人SCR5 在負(fù)載5 kg 的情況下，精度仍可以達(dá)到0.02 mm、達(dá)明的TM5 負(fù)載能力6 kg，自身質(zhì)量?jī)H為22.1 kg 等。

2 協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 安全性與穩(wěn)定性方面

協(xié)作機(jī)器人較為創(chuàng)新的突破在于，機(jī)器人與人可以安全的在同一環(huán)境下工作，但是目前協(xié)作機(jī)器人的安全性與工作穩(wěn)定性方面技術(shù)仍然不夠成熟[4]?，F(xiàn)階段協(xié)作機(jī)器人對(duì)于碰撞檢測(cè)，主要有電流反饋碰撞檢測(cè)和附加傳感器檢測(cè)兩種技術(shù)，停止策略技術(shù)是在碰撞檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)工作環(huán)境對(duì)碰撞檢測(cè)信息處理的一種方法[5]。

電流反饋碰撞檢測(cè)技術(shù)，是基于機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下電流變化區(qū)間穩(wěn)定在一定范圍的原理，通過(guò)主控電路板對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并計(jì)算出電流變化是否在合理范圍內(nèi)，從而判定是否發(fā)生碰撞[6]。檢測(cè)流程圖如圖1 所示。

圖1 電流反饋碰撞檢測(cè)

附加傳感器檢測(cè)技術(shù)，包括視覺(jué)檢測(cè)、力矩檢測(cè)兩大類(lèi)，本文主要介紹不同傳感器技術(shù)的基本檢測(cè)方法。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)目前主要應(yīng)用為基于微軟Kinect相機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)工作人員深度信息檢測(cè)和骨骼跟蹤，判斷工作人員是否處在安全區(qū)域內(nèi)、執(zhí)行工作動(dòng)作以便做出進(jìn)一步的處理[7]。檢測(cè)流程示意圖如圖2 所示。力矩檢測(cè)技術(shù)目前主要電阻應(yīng)變片傳感器技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，電阻應(yīng)變片放置于機(jī)械臂關(guān)節(jié)處，通過(guò)電橋電路、放大電路、濾波電路對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，最后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換傳輸給控制器，通過(guò)與設(shè)置的閾值比較判斷是否發(fā)生碰撞[8]。檢測(cè)流程示意圖如圖3 所示

圖2 視覺(jué)碰撞檢測(cè)

圖3 力矩碰撞檢測(cè)

根據(jù)ISO/TS15066 安全監(jiān)控停止操作要求和靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓力、壓強(qiáng)碰撞可接受程度閾值，協(xié)作機(jī)器人控制器可執(zhí)行發(fā)出警告、機(jī)器人改變運(yùn)動(dòng)軌跡、停止操作等處理策略[9]。以在保證人員安全的前提下，最大程度維持協(xié)作機(jī)器人工作穩(wěn)定性。這對(duì)于協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用方面具有重要的安全保障作用。具體安全處理策略見(jiàn)表1。

表1 協(xié)作機(jī)器人安全處理策略

2.2 靈活性與輕量化方面

協(xié)作機(jī)器人靈活性主要體現(xiàn)在安裝方式和模塊化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。在安裝方式上，由于協(xié)作機(jī)器人質(zhì)量輕、體積小可以根據(jù)工作場(chǎng)景可以進(jìn)行置地式、倒掛式、懸臂式等不同安裝方式，并且協(xié)作機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)穩(wěn)定在不同安裝方式下均能滿(mǎn)足工作精度要求。

在運(yùn)動(dòng)范圍上，協(xié)作機(jī)器人的靈活性主要體現(xiàn)在采用模塊化設(shè)計(jì)。模塊化機(jī)器人經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)變革，已經(jīng)較為成熟，內(nèi)部采用諧波減速器、編碼器、驅(qū)動(dòng)電路板一體化設(shè)計(jì)，這使得每個(gè)關(guān)節(jié)都具有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)范圍[10]。本文通過(guò)對(duì)模塊化機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)、模塊組合進(jìn)行研究，分析協(xié)作機(jī)器人靈活性技術(shù)特點(diǎn)。協(xié)作機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)方式上協(xié)作機(jī)器人采用伺服驅(qū)動(dòng)電路控制的中空直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，質(zhì)量較輕，接受指令反應(yīng)時(shí)間短，變速、變向迅速。在模塊組合上采用輸出法蘭、連桿、輸入法蘭進(jìn)行螺栓聯(lián)接可以組成可變自由度的機(jī)械臂，滿(mǎn)足不同工作環(huán)境下的需要[11]。以遨博六軸機(jī)器人為例，每個(gè)關(guān)節(jié)都具有±175°的運(yùn)動(dòng)范圍，最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)180°/s圖4 為協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)示意圖及空間運(yùn)動(dòng)范圍，可見(jiàn)模塊化設(shè)計(jì)使得協(xié)作機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)靈活性和運(yùn)動(dòng)范圍更大。

輕量化的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)緊湊和材質(zhì)輕便兩方面，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面上文有過(guò)論述，機(jī)械臂材質(zhì)上的改變使得協(xié)作機(jī)器人在應(yīng)用成本可以大大降低，同時(shí)在應(yīng)用場(chǎng)景上也更加廣泛。LBR ii WA 協(xié)作機(jī)器人使用鋁合金作為機(jī)械臂的主要構(gòu)成材料，不僅減輕了機(jī)械臂的重量，同時(shí)提升了機(jī)械臂的強(qiáng)度。YUMI 協(xié)作機(jī)器人機(jī)械臂則是使用鎂合金，鎂合金在密度上遠(yuǎn)小于鋼鐵材料，在強(qiáng)度上表現(xiàn)也比較出色，可以滿(mǎn)足協(xié)作機(jī)器人工作環(huán)境的應(yīng)用要求[12]。在2017 年中科新松有限公司開(kāi)發(fā)的一款工業(yè)用協(xié)作機(jī)器人，采用巴斯夫新型合成材料，這種材料相比于金屬材料密度更小，同時(shí)還有耐腐蝕、抗磨損的特點(diǎn)，使得協(xié)作機(jī)器人在輕量化方面更具優(yōu)勢(shì)[13]。

2.3 操作與編程方面

工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中，程序的編寫(xiě)與調(diào)試比較費(fèi)時(shí)，時(shí)間生產(chǎn)成本增加。協(xié)作機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在示教編程方面采用更加便捷的拖動(dòng)示教，即拖動(dòng)機(jī)械臂機(jī)器人即可實(shí)時(shí)記錄運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)參數(shù)。示教器界面也采用更加簡(jiǎn)潔的圖形化界面，指令和按鈕都更加直觀(guān)，降低了生產(chǎn)技術(shù)人員對(duì)于協(xié)作機(jī)器人的操作要求。

在操作與編程方面，協(xié)作機(jī)器人示教器基于Ubuntu 操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，將程序編寫(xiě)方式進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)點(diǎn)擊某一類(lèi)型指令即可放入程序顯示邏輯架構(gòu)中，通過(guò)點(diǎn)擊邏輯架構(gòu)中的某一指令即可修改參數(shù)，程序邏輯更加清晰直觀(guān)。同時(shí)對(duì)邏輯框架中的指令編輯也更加方便，增加移動(dòng)、復(fù)制、粘貼功能，對(duì)邏輯框架內(nèi)任意位置指令進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。協(xié)作機(jī)器人示教器還增加機(jī)械臂仿真顯示模塊，在運(yùn)行機(jī)械臂前可以通過(guò)仿真運(yùn)行檢驗(yàn)程序的正確性[14]。在編程方面協(xié)作機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人最大的區(qū)別在于，協(xié)作機(jī)器人可以獲取被引導(dǎo)的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制程序，完成被引導(dǎo)動(dòng)作的調(diào)用和復(fù)現(xiàn)。被引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)及軌跡生成控制程序流程圖如圖4 所示。

圖4 被引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)及軌跡生成控制程序流程圖

3 協(xié)作機(jī)器人發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)

針對(duì)目前的協(xié)作機(jī)器人在不同于工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)上改進(jìn)的特點(diǎn)，分析協(xié)作機(jī)器人在一些典型應(yīng)用上現(xiàn)狀，包括基于協(xié)作機(jī)器人安全性與穩(wěn)定性方面開(kāi)發(fā)的康復(fù)理療機(jī)器人、基于靈活性與輕量化方面的餐飲行業(yè)應(yīng)用、基于操作與編程方面的車(chē)間運(yùn)載機(jī)器人發(fā)展，簡(jiǎn)單論述協(xié)作機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)與不足以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2020 年9 月，在遨博新品發(fā)布會(huì)推出一款聯(lián)合秀域科技健康開(kāi)發(fā)的按摩理療機(jī)器人。作為工作對(duì)象為人體的機(jī)器人，保證人身安全是工作的前提。該款機(jī)器人具有靈敏的力控反饋系統(tǒng)，當(dāng)與人體接觸力超過(guò)人體承受安全閾值時(shí)機(jī)器人會(huì)觸發(fā)安全保護(hù)機(jī)制。同時(shí)基于靈敏的力矩控制傳感器，在進(jìn)行按摩的時(shí)候更加準(zhǔn)確的控制按摩力道。該款機(jī)器人還配備視覺(jué)系統(tǒng)，便于更加準(zhǔn)確的找準(zhǔn)按摩位置。但按摩機(jī)器人無(wú)法智能區(qū)分人體不同位置對(duì)于力承受等級(jí)的區(qū)別。其次，在按摩時(shí)用戶(hù)姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中很容易觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，造成機(jī)器人的意外停止。

基于協(xié)作機(jī)器人輕量化和靈活的機(jī)械臂，協(xié)作機(jī)器人逐步應(yīng)用到餐飲行業(yè)。協(xié)作機(jī)器人緊湊的結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，使得它非常靈活和柔順，可以順利的完成做菜需要的動(dòng)作。規(guī)范化的操作保證餐品的味道，同時(shí)隔絕人員的接觸更加衛(wèi)生。協(xié)作機(jī)器人在餐飲行業(yè)的應(yīng)用上仍有很多不足之處，模塊化的設(shè)計(jì)使得關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的熱量難以及時(shí)散發(fā)出去。協(xié)作機(jī)器人材質(zhì)面對(duì)廚房復(fù)雜的酸、鹽、濕環(huán)境難以保證正常的工作壽命。

隨著工廠(chǎng)自動(dòng)化改造，生產(chǎn)線(xiàn)上對(duì)于機(jī)械臂的應(yīng)用也逐漸增加，應(yīng)用方式也更加靈活，安裝在生產(chǎn)工位、或者搭載于A(yíng)GV，完成生產(chǎn)裝配和物料搬運(yùn)，協(xié)作機(jī)器人具有質(zhì)量輕、安裝方便等特點(diǎn)，符合此類(lèi)要求?；趨f(xié)作機(jī)器人外力引導(dǎo)編程技術(shù)，只需拖動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的工作軌跡即可，有利于協(xié)作機(jī)器人在工廠(chǎng)生產(chǎn)中使用。但不足之處在于，外力牽引下機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡不夠流暢，尤其是面對(duì)裝配精度較高的工作場(chǎng)合時(shí)，可能難以滿(mǎn)足工作要求。

根據(jù)目前協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用上的不足和機(jī)器人相關(guān)技術(shù)發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人未來(lái)發(fā)展主要集中于以下方面：

（1）智能化。協(xié)作機(jī)器人在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中將融入多種感知技術(shù)于一體，提升機(jī)器人環(huán)境信息識(shí)別和自主決策的智能化，同時(shí)協(xié)作機(jī)器人還將與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合，使處在不同區(qū)域的協(xié)作機(jī)器人之間建立信息交換，共同完成工作任務(wù)[15]。

（2）多元化。模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，內(nèi)部軸承和電機(jī)設(shè)計(jì)中增加機(jī)械臂內(nèi)部通風(fēng)散熱和熱傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)等散熱設(shè)計(jì)[16]。同時(shí)碳釬維復(fù)合材料、3D 打印材料等新型材料，協(xié)作機(jī)器人在未來(lái)社會(huì)服務(wù)中可以發(fā)揮更多的作用，推動(dòng)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展，為協(xié)作機(jī)器人的多元化應(yīng)用提供了更多思路。

（3）便捷化。外力引導(dǎo)編程是協(xié)作機(jī)器人編程的一大優(yōu)勢(shì)，但是由于不能很好的控制引導(dǎo)編程軌跡的流暢性和穩(wěn)定性，使得這一優(yōu)勢(shì)無(wú)法很好的運(yùn)用到實(shí)際工作中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能算法在協(xié)作機(jī)器人中應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)編程軌跡自動(dòng)優(yōu)化。同時(shí)協(xié)作機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上還可以擴(kuò)展外部視覺(jué)引導(dǎo)、智能柔性手抓等，提高抓取準(zhǔn)確率和裝配準(zhǔn)確性，使得協(xié)作機(jī)器人的入門(mén)要求降低，使用更加便捷。

隨著其他傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，將進(jìn)一步提高協(xié)作機(jī)器人的安全性和智能性，進(jìn)而推動(dòng)協(xié)作機(jī)器人在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。