協(xié)作技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人發(fā)展

劉永安

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東 廣州510530）

0 引言

時(shí)代飛速發(fā)展，我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平正上升至新的臺(tái)階，中國(guó)制造2025的國(guó)家戰(zhàn)略下，工業(yè)機(jī)器人扮演著重要的角色。工業(yè)機(jī)器人最早實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”的應(yīng)用，如沖壓、噴涂、焊接、機(jī)床上下料等堆垛搬運(yùn)，都是危險(xiǎn)、繁重、單調(diào)的工作，對(duì)人類身心有害的作業(yè)。目前這些領(lǐng)域的自動(dòng)化程度已相當(dāng)普及。這些應(yīng)用由于節(jié)拍要求高，機(jī)器人設(shè)計(jì)初衷都是高剛性、高速度的動(dòng)作，一般作業(yè)時(shí)都用圍欄隔開(kāi)安全區(qū)域，人不能靠近，適用于大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)。而對(duì)于中小企業(yè)，特別是小批量生產(chǎn)，工件經(jīng)常更新?lián)Q代，場(chǎng)地緊湊，需要人與機(jī)器人協(xié)同作業(yè)時(shí)，就需要協(xié)作機(jī)器人[1]。本文通過(guò)探討協(xié)作機(jī)器人的技術(shù)細(xì)節(jié)，提出我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)階段需要大力發(fā)展協(xié)作技術(shù)的必要性和發(fā)展思路。

1 協(xié)作技術(shù)的產(chǎn)生及定位

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人在安全圍欄內(nèi)作業(yè)，在設(shè)計(jì)上只需考慮高剛性和高速度，這顯然無(wú)法滿足進(jìn)一步的細(xì)分市場(chǎng)。一些精密的裝配工作、異型包裝、3C行業(yè)、現(xiàn)場(chǎng)多維度檢測(cè)、生命科學(xué)領(lǐng)域，都要求機(jī)器人與人類近距離的協(xié)同工作，這就要求機(jī)器人本身具有安全性、靈活性、協(xié)同性，這個(gè)特點(diǎn)表現(xiàn)在機(jī)器人高柔性、高感知能力、結(jié)構(gòu)緊湊以及高交互易用性上。

協(xié)作機(jī)器人的特點(diǎn)通常表現(xiàn)為單臂多軸或雙臂設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作要求[2]。協(xié)作機(jī)器人本體在內(nèi)部及末端都使用了大量的傳感器，以使機(jī)器人具有高感知能力，應(yīng)對(duì)與人協(xié)同工作時(shí)產(chǎn)生的各種事件，需要觸發(fā)各種不同信號(hào)完成不同動(dòng)作及控制。由于工作區(qū)域的限制，設(shè)計(jì)之始便使協(xié)作機(jī)器人具有無(wú)多余的線條的外觀，整機(jī)緊湊、簡(jiǎn)潔、輕量化。因?yàn)榕c人互動(dòng)比較頻繁，使其人機(jī)界面有區(qū)別傳統(tǒng)示教盒子的特點(diǎn)、操作簡(jiǎn)易，并增加拖動(dòng)技術(shù)等引導(dǎo)機(jī)器人的方式。

2 工業(yè)機(jī)器人協(xié)作技術(shù)的國(guó)內(nèi)外狀況

自1996年協(xié)作機(jī)器人的概念被提出，協(xié)作技術(shù)因技術(shù)要求和特點(diǎn)受限于時(shí)代，發(fā)展較緩慢。隨著集成技術(shù)、自動(dòng)化傳感、控制技術(shù)等快速發(fā)展，協(xié)作技術(shù)的進(jìn)步有了支持。2014年之前，工業(yè)機(jī)器人四大家族將重心放在了量大、大規(guī)模企業(yè)如汽車工業(yè)的市場(chǎng)布局上，并沒(méi)有將協(xié)作機(jī)器人作為主打產(chǎn)品。這給如美國(guó)Rethink機(jī)器人、丹麥優(yōu)傲機(jī)器人搶占市場(chǎng)提供了一個(gè)不容錯(cuò)失的機(jī)會(huì)。自2015年ABB推出了首款協(xié)作機(jī)器人Yumi以來(lái)，法拉克協(xié)作機(jī)器人CR35I、庫(kù)卡協(xié)作機(jī)器人iiwa以及安川協(xié)作機(jī)器人HC10相繼攪局，四巨頭的進(jìn)入，市場(chǎng)被重新分配。Rethink機(jī)器人宣布倒閉，然而優(yōu)傲機(jī)器人仍然占據(jù)著非常可觀的市場(chǎng)份額，目前已賣出27 000臺(tái)套的機(jī)器人，分布在各個(gè)領(lǐng)域，包括汽車工業(yè)，這極大的說(shuō)明了協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用前景。

2016年是我國(guó)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)廠家開(kāi)始重視協(xié)作機(jī)器人的元年，因?yàn)檫@年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了協(xié)作機(jī)器人的技術(shù)及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：ISO/TS 15066協(xié)作型機(jī)器人設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。到了2018年的上海國(guó)際機(jī)器人展，展館從以前一個(gè)館國(guó)內(nèi)外機(jī)器人品牌一起，演變成國(guó)內(nèi)一個(gè)館、國(guó)外一個(gè)館。各種工業(yè)機(jī)器人本體廠商、集成商如雨后春筍，尤其亮眼的是協(xié)作機(jī)器人占據(jù)的比例增多很多，一些后起之秀直接定位企業(yè)為協(xié)作機(jī)器人生產(chǎn)廠商，專攻協(xié)作板塊。

此處引用一個(gè)值得注意的數(shù)據(jù)，來(lái)自2018年協(xié)作機(jī)器人藍(lán)皮書(shū)[4]。從2014年到2017年間，全球市場(chǎng)中，協(xié)作機(jī)器人銷量的年均復(fù)合增速為69%。按照這個(gè)速度，到2020年，全球的協(xié)作機(jī)器人銷量將達(dá)5萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模將突破84億元；其中中國(guó)市場(chǎng)銷量將達(dá)1.65萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模突破18億元[5]。

3 協(xié)作機(jī)器人的技術(shù)瓶頸

第一，如何在自重較小的設(shè)計(jì)前提下保證機(jī)器人本體的負(fù)載剛性，是一大難題。自重如前所述，協(xié)作機(jī)器人因在設(shè)計(jì)上必須考慮緊湊、輕量化、易于安裝布局的特點(diǎn)，而且，為了防止誤觸碰，將使用新型的材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄鐵。這保證了機(jī)器人自重的重要指標(biāo)，但同時(shí)帶來(lái)了新的問(wèn)題，如因?yàn)閯偠葐?wèn)題無(wú)法抓取負(fù)載較大的工件，這很大程度上限制了應(yīng)用的范圍[6]。

第二，眾多非標(biāo)傳感器的設(shè)計(jì)集成及控制，極大地影響著協(xié)作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊與否。同時(shí)，為了與作業(yè)的人更好地協(xié)同工作，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)共融的作業(yè)環(huán)境目標(biāo)，必須在協(xié)作機(jī)器人本體有限的空間里集成更多的傳感器，以觸發(fā)不同的控制信號(hào)以反饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同的工作。這勢(shì)必產(chǎn)生許多非標(biāo)結(jié)構(gòu)的傳感器，考驗(yàn)硬件本身的可靠性。

第三，關(guān)節(jié)模塊的高集成度決定著協(xié)作機(jī)器人的本體體積，以及對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)能力。關(guān)節(jié)模塊中集成了減速機(jī)、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、編碼器等。如何提高制造工藝，保證精度、力矩、功率密度的前提下，盡可能縮小關(guān)節(jié)模塊的體積是一個(gè)很大的瓶頸[7]。目前國(guó)外涌現(xiàn)了一些優(yōu)秀的關(guān)節(jié)模塊整機(jī)方案提供商，如科爾摩根。

第四，提高協(xié)作機(jī)器人操作人機(jī)界面的友好程度，刻不容緩。目前，在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，包括四大機(jī)器人家族仍然延用傳統(tǒng)的示教方式的人機(jī)界面。顯然，由于協(xié)作機(jī)器人更強(qiáng)調(diào)的是與人的交互，這要求新式的更友好的人機(jī)界面，如拖動(dòng)示教，自主視覺(jué)抓取學(xué)習(xí)等[8]。這幾個(gè)方面都是目前協(xié)作機(jī)器人的技術(shù)瓶頸，需要時(shí)間攻克。

4 戰(zhàn)略布局協(xié)作技術(shù)的必要性及發(fā)展思路

如果說(shuō)在工業(yè)生產(chǎn)中普及傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人是“機(jī)器換人”，那么協(xié)作機(jī)器人將填補(bǔ)無(wú)法換人的市場(chǎng)應(yīng)用空白，使人與機(jī)器和諧作業(yè)。目前，國(guó)外各種創(chuàng)新力量，正在研發(fā)各種有自家風(fēng)格的協(xié)作機(jī)器人，國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)廠商加速戰(zhàn)略布局協(xié)作技術(shù)，刻不容緩。除第三點(diǎn)中提到的四大技術(shù)瓶頸需要重點(diǎn)研發(fā)突破之外，筆者認(rèn)為要格外注意的是一個(gè)生態(tài)的建設(shè)與利用。上一輪工業(yè)機(jī)器人的普及速度之快，導(dǎo)致核心零部件、周邊的工裝附件、電氣元器件等都是從無(wú)到有，從非標(biāo)到標(biāo)準(zhǔn)，慢慢摸索花了較長(zhǎng)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化。而協(xié)作機(jī)器人這次，一定要注意這個(gè)生態(tài)的建設(shè)，站在巨人的肩膀，如協(xié)同電機(jī)、減速機(jī)等廠家一起開(kāi)發(fā)新品；與氣動(dòng)類的真空發(fā)生器、夾具、吸盤(pán)廠家研發(fā)更易集成的專用模塊，使客戶拿來(lái)即用；附件如電纜、快換工具、機(jī)器人引導(dǎo)系統(tǒng)、視覺(jué)傳感等廠家建立合作關(guān)系；最后是仿真軟件、控制器、通訊模塊的標(biāo)準(zhǔn)化及互換性。這些應(yīng)與自主研發(fā)同步進(jìn)行，否則喪失了市場(chǎng)先機(jī)[9]。

5 協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展前景

協(xié)作機(jī)器人目前已逐漸在重要領(lǐng)域嶄露頭角。在汽車工業(yè)中，協(xié)作機(jī)器人用來(lái)協(xié)助拾料、裝配上螺絲、對(duì)車架不同部位進(jìn)行檢驗(yàn)、涂膠等，其柔性、安全性及容易部署等特點(diǎn)，使協(xié)作機(jī)器人極易與各崗位工作人員協(xié)同工作[10]。在3C行業(yè)中，由于人員分布非常密集，屬勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，協(xié)作機(jī)器人協(xié)助完成PCB版精密碼垛、異形元器件裝插、封裝檢驗(yàn)等應(yīng)用，幫助企業(yè)完成產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化升級(jí)及產(chǎn)能的質(zhì)的提高。在塑料成形行業(yè)，可高速取放模具、零件等，同時(shí)還可進(jìn)行零件的澆口清理，質(zhì)量檢驗(yàn)，使人離開(kāi)此重復(fù)性高、氣味危險(xiǎn)的工作環(huán)境；在醫(yī)療制藥行業(yè)，由于對(duì)工作車間要求潔凈度高，使用協(xié)作機(jī)器人非常適合，因?yàn)閰f(xié)作機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，并且具有高防護(hù)等級(jí)；在點(diǎn)焊噴涂行業(yè)，可利用協(xié)作機(jī)器人易于部署等特點(diǎn)，對(duì)工件或工位難以移動(dòng)、并經(jīng)常變化的應(yīng)用，直接部署協(xié)作機(jī)器人前往現(xiàn)場(chǎng)焊接或噴涂，作業(yè)完成再移走機(jī)器人，保證人員少接觸這種有害作業(yè)；最后，對(duì)包裝堆垛行業(yè)，協(xié)作機(jī)器人能充分發(fā)揮其編程友好的特點(diǎn)，對(duì)貨物進(jìn)行裝箱、封箱、貼電子標(biāo)簽并碼垛成可運(yùn)輸狀態(tài)。

在這些具有代表性的工業(yè)領(lǐng)域挖掘出新的自動(dòng)化改造的機(jī)會(huì)，恰恰說(shuō)明了協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的質(zhì)的不同：可與人協(xié)同作業(yè)、安全、操作更友好地特點(diǎn)。也從側(cè)面說(shuō)明了隨著協(xié)作技術(shù)的發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人已能完成更加精密的拾取、搬運(yùn)、裝配等精度更高的應(yīng)用。

這些應(yīng)用案例可以對(duì)比出協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人的優(yōu)劣，如表1所示。

表1 協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人應(yīng)用對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

至此，本文已從工業(yè)機(jī)器人中協(xié)作技術(shù)的產(chǎn)生及定位進(jìn)行了闡述，并說(shuō)明了國(guó)內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀；通過(guò)探討協(xié)作技術(shù)的瓶頸，提出了戰(zhàn)略布局協(xié)作技術(shù)的必要性和歷史機(jī)遇，并提出了其區(qū)別傳統(tǒng)機(jī)器人的發(fā)展思路。國(guó)家戰(zhàn)略里中國(guó)制造2025進(jìn)程的不斷縱深，將加速協(xié)作技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人里的發(fā)展，和汽車工業(yè)發(fā)展一樣，筆者對(duì)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)做深做細(xì)，趕超先進(jìn)國(guó)家技術(shù)，充滿信心。