協(xié)作機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展分析

王家鵬

摘 要：隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)建設(shè)過(guò)程中，為從根本上提升安全效益、經(jīng)濟(jì)效益及服務(wù)效益奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。本文就基于此，以協(xié)作機(jī)器人研究現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，就如何加快協(xié)作機(jī)器人技術(shù)發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行相關(guān)概述，旨在充分發(fā)揮出協(xié)作機(jī)器人的積極作用。

關(guān)鍵詞：協(xié)作機(jī)器人;研究現(xiàn)狀;技術(shù)發(fā)展

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）18-0024-02

0 引言

就目前來(lái)看，協(xié)作機(jī)器人是當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人研究重點(diǎn)課題，協(xié)作機(jī)器人的智能化、互動(dòng)性功能也將會(huì)成為提升工業(yè)生產(chǎn)建設(shè)管理水平的關(guān)鍵所在。據(jù)相關(guān)研究人員分析，在二十一世紀(jì)，協(xié)作機(jī)器人市場(chǎng)將會(huì)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，協(xié)作機(jī)器人將依據(jù)不同工作需求及運(yùn)行環(huán)境特征，進(jìn)入更具協(xié)同性的工作狀態(tài)。與其它國(guó)家相比，我國(guó)在協(xié)作機(jī)器人方面的研究起步稍晚，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，需基于各領(lǐng)域?qū)f(xié)作機(jī)器人提出的要求，對(duì)協(xié)作機(jī)器人功能性及安全性等方面進(jìn)行完善及優(yōu)化，充分發(fā)揮出協(xié)作機(jī)器人在提升各領(lǐng)域綜合效益期間的積極作用。

1 協(xié)作機(jī)器人理論研究

1.1 協(xié)作機(jī)器人概念

從廣義上來(lái)講，協(xié)作機(jī)器人主要就是與人類(lèi)共同工作空間具有近距離互動(dòng)機(jī)器人?，F(xiàn)階段部分工業(yè)類(lèi)機(jī)器人均會(huì)受到自動(dòng)作業(yè)設(shè)計(jì)及導(dǎo)引下作業(yè)設(shè)計(jì)的局限，與人類(lèi)共同工作的距離較遠(yuǎn)，相關(guān)安全防護(hù)功能較為缺失[1]。而協(xié)作機(jī)器人就是將人類(lèi)共同工作需求轉(zhuǎn)換為機(jī)器人自身應(yīng)用機(jī)能，確保機(jī)器人能夠在提升生產(chǎn)效益及經(jīng)濟(jì)效益的過(guò)程中發(fā)揮出重要的作用。

1.2 協(xié)作機(jī)器人發(fā)展歷程

協(xié)作機(jī)器人概念首次提出于二十世紀(jì)九十年代提出，當(dāng)時(shí)通用汽車(chē)基金會(huì)為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)項(xiàng)目的高質(zhì)高效生產(chǎn)目標(biāo)，試圖從根本上提升當(dāng)時(shí)生產(chǎn)機(jī)器人的應(yīng)用安全性，確保機(jī)器人能夠與員工實(shí)現(xiàn)良好的協(xié)同合作。第一臺(tái)協(xié)作機(jī)器人的研發(fā)工作由麻省理工學(xué)院接手，當(dāng)時(shí)獲得了國(guó)家及有關(guān)部門(mén)的高度關(guān)注。經(jīng)過(guò)年研究，初代協(xié)作機(jī)器人在美國(guó)航天局首次公開(kāi)。隨著協(xié)作機(jī)器人研究工作的不斷深入，德國(guó)聯(lián)邦科教部又試圖將協(xié)作機(jī)器人朝向智能化轉(zhuǎn)行，為增強(qiáng)協(xié)同機(jī)器人研發(fā)工作的經(jīng)濟(jì)效益及服務(wù)效益奠定了堅(jiān)實(shí)技術(shù)發(fā)展。

2006年，日本一家電機(jī)公司將所研發(fā)出的輕型機(jī)械臂引入到歐洲市場(chǎng)，與主流協(xié)作機(jī)器人的功能及結(jié)構(gòu)無(wú)明顯差別，但就協(xié)作機(jī)器人的根本研發(fā)目標(biāo)而言，依然存在一些差距[2]。具體而言，輕型機(jī)械臂僅能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)器人協(xié)作工作目標(biāo)，無(wú)法從根本上保障與人類(lèi)處于共同工作空間的安全性。

2008年，第一臺(tái)真正意義上的協(xié)作機(jī)器人被首次研發(fā)出來(lái)，徹底打開(kāi)了協(xié)作機(jī)器人的市場(chǎng)大門(mén)。與協(xié)作機(jī)器人相關(guān)的各類(lèi)企業(yè)數(shù)量增多，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，使協(xié)作機(jī)器人各項(xiàng)功能及實(shí)際應(yīng)用期間的綜合效益得到了極大程度的提升。為更好規(guī)范協(xié)作機(jī)器人市場(chǎng)，國(guó)家及有關(guān)部門(mén)針對(duì)協(xié)作機(jī)器人發(fā)展需求及各領(lǐng)域生產(chǎn)建設(shè)經(jīng)營(yíng)特征，頒布了更加健全的協(xié)作機(jī)器人生產(chǎn)及研發(fā)規(guī)定，從根本上提升了協(xié)作機(jī)器人研發(fā)及技術(shù)發(fā)展期間的有序性及穩(wěn)定性。

2 多機(jī)器人協(xié)同及合作

現(xiàn)階段，協(xié)作機(jī)器人研究重點(diǎn)均放置在多機(jī)器人協(xié)調(diào)問(wèn)題方面。早在二十世紀(jì)八十年代，為從根本上解決協(xié)作機(jī)器人在合作的情況下無(wú)法完成某一共工作，如協(xié)同搬運(yùn)、協(xié)同荷載等，其無(wú)法對(duì)系統(tǒng)及相關(guān)合作合作機(jī)制，存在運(yùn)動(dòng)受限或運(yùn)行體系鏈條出現(xiàn)斷裂的情況[3]。同時(shí)，因協(xié)作機(jī)器人多以操作物體期間的閉鏈系統(tǒng)，會(huì)存在運(yùn)行受限、冗余度控制問(wèn)題等，需相關(guān)工作人員建立起系統(tǒng)組織及合作機(jī)制控制體系。同時(shí)，通過(guò)在控制器內(nèi)輸入相關(guān)指令，確保對(duì)各協(xié)作機(jī)器人運(yùn)行情況的協(xié)同控制。

在協(xié)作機(jī)器人多機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，還應(yīng)解決多機(jī)器人合作及組織機(jī)器人完成某項(xiàng)任務(wù)等問(wèn)題，通過(guò)明確各項(xiàng)機(jī)制及運(yùn)行任務(wù)，確保機(jī)器人與機(jī)器人之間保持一種更具協(xié)同性的運(yùn)行關(guān)系。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，多機(jī)器人合作不僅是將一定數(shù)量的機(jī)器人在同一工作空間啟動(dòng)，更是對(duì)協(xié)作機(jī)器人的控制，確保相關(guān)控制系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決協(xié)作機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行期間存在的問(wèn)題。同時(shí)，支撐協(xié)作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)同步在線(xiàn)運(yùn)算，更好控制協(xié)作機(jī)器人自身動(dòng)作及運(yùn)行頻率，切實(shí)提升協(xié)作機(jī)器人工作期間期間的質(zhì)量及效率。在協(xié)作機(jī)器人技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，相關(guān)工組人員還應(yīng)依據(jù)運(yùn)行環(huán)境及任務(wù)的具體需求，對(duì)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)組織及控制，以便更好實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人在多機(jī)器人協(xié)同合作上的目標(biāo)。

3 協(xié)作機(jī)器人核心零部件研究

在協(xié)作機(jī)器人核心零部件設(shè)計(jì)及研發(fā)過(guò)程中，需注重輕量化設(shè)計(jì)原則，要求協(xié)作機(jī)器人核心零部件具有高度的集成化，要求在傳統(tǒng)機(jī)器人零部件生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)及具體結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行不斷完善及優(yōu)化。

在協(xié)作機(jī)器人中，電機(jī)可直接影響到機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量及效率，應(yīng)在傳統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)的可選范圍進(jìn)行不斷完善。同時(shí)，結(jié)合各領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)建設(shè)需求，對(duì)單一的科爾摩根產(chǎn)品功能及各項(xiàng)性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

注重對(duì)協(xié)作機(jī)器人安全控制裝置的設(shè)計(jì)及研發(fā)，雖然現(xiàn)階段協(xié)作機(jī)器人市場(chǎng)安全控制裝置的種類(lèi)及數(shù)量較多，但實(shí)際安裝成本更大，類(lèi)似于諧波減速裝置及伺服驅(qū)動(dòng)昂裝置難以更好滿(mǎn)足協(xié)作機(jī)器人運(yùn)行需求[4]。因此為更好實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用及研發(fā)目標(biāo)，相關(guān)工作人員應(yīng)對(duì)協(xié)作機(jī)器人安全控制器進(jìn)行科學(xué)規(guī)范設(shè)計(jì)，確保協(xié)作機(jī)器人后期運(yùn)行質(zhì)量及效率能夠滿(mǎn)足各領(lǐng)域生產(chǎn)建設(shè)需求。

4 協(xié)作機(jī)器人研究現(xiàn)狀

2015年，我國(guó)首次將協(xié)作機(jī)器人研發(fā)與技術(shù)發(fā)展工作列為重要研究方向，通過(guò)全方位動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方式、力控制及策略及完善的人機(jī)交互界面等，對(duì)協(xié)作機(jī)器人的各項(xiàng)功能及運(yùn)行特征進(jìn)行不斷完善及優(yōu)化。同時(shí)，與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，協(xié)作機(jī)器人融合了更加先進(jìn)的高帶寬、節(jié)能型技術(shù)。相較于其它國(guó)家協(xié)作機(jī)器人的研究及技術(shù)發(fā)展而言，我國(guó)協(xié)作機(jī)器人成品化及市場(chǎng)化起步較晚，實(shí)際積累經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致協(xié)作機(jī)器人在各領(lǐng)域生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理方面的應(yīng)用范圍較為狹窄。同時(shí)，為根本上增強(qiáng)協(xié)作機(jī)器人經(jīng)濟(jì)適用性，相關(guān)研究部門(mén)又將研究重點(diǎn)放置控制協(xié)作機(jī)器人投入成本，提升協(xié)作機(jī)器人生產(chǎn)期間的安全性及靈活性等方面，切實(shí)降低協(xié)作機(jī)器人運(yùn)行故障風(fēng)險(xiǎn)，使其被更好的應(yīng)用在各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

5 協(xié)作機(jī)器人研究要點(diǎn)

5.1 群體體系

在協(xié)作機(jī)器人研究過(guò)程中，相關(guān)工作人員應(yīng)將實(shí)際研究對(duì)象放置在協(xié)作機(jī)器人的群體研究體系上，通過(guò)劃分協(xié)作機(jī)器人各項(xiàng)功能及結(jié)構(gòu)特征，為協(xié)作機(jī)器人的完善及優(yōu)化提供重要理論依據(jù)[5]。在協(xié)作機(jī)器人群體構(gòu)建過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)類(lèi)型多為分布式，同時(shí)對(duì)智能體的相對(duì)控制為平等。同時(shí)，在協(xié)作機(jī)器人群體體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還會(huì)存在同構(gòu)及異構(gòu)問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，同構(gòu)群體模式下的協(xié)作機(jī)器人主要功能及機(jī)能基本相同，而異構(gòu)群體模式雖然具有一定的普遍性，但實(shí)際運(yùn)行期間所面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素更多，需依照實(shí)際運(yùn)行任務(wù)及協(xié)作機(jī)器人個(gè)體運(yùn)行需求判斷異構(gòu)主要分布特征。

5.2 通信體系

為更好實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人類(lèi)共處于同一工作空間的目標(biāo)，應(yīng)確保協(xié)作機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行目標(biāo)。當(dāng)前大部分協(xié)作機(jī)器人均沒(méi)有實(shí)現(xiàn)無(wú)通信合作目標(biāo)，需借助直接型及廣播型通信體系，更好制定出解決協(xié)作機(jī)器人合作問(wèn)題的解決方案[6]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，分布式信息處理系統(tǒng)被防范的應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中，而協(xié)作機(jī)器人作為分布式控制系統(tǒng)中的重要組成部分，其在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及信息共享的過(guò)程中也需依賴(lài)通信系統(tǒng)獲取信息，在協(xié)作機(jī)器人數(shù)量增多的情況下，其自身運(yùn)行負(fù)擔(dān)將會(huì)明顯增大，因此在不斷完善及優(yōu)化協(xié)作機(jī)器人過(guò)程中，需要確保協(xié)作機(jī)器人能夠適應(yīng)通信機(jī)制，又要確保協(xié)作機(jī)器人能夠保持對(duì)周邊環(huán)境的感知及理解能力，確保協(xié)作機(jī)器人能夠與人類(lèi)實(shí)現(xiàn)良好的信息交流及合作。

5.3 感知及學(xué)習(xí)

在協(xié)作機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行期間，感知及學(xué)習(xí)也是機(jī)器人與人類(lèi)的交互動(dòng)作形式。其中，合作機(jī)器人均具有各自傳感系統(tǒng)，對(duì)傳感系統(tǒng)的高效利用可直接反應(yīng)出協(xié)作機(jī)器人運(yùn)行水平。因此需相關(guān)工作人員通過(guò)對(duì)協(xié)作機(jī)器人參數(shù)數(shù)值的的控制，從根本上提升協(xié)作機(jī)器人實(shí)際工作期間的專(zhuān)業(yè)性及靈活行，確保協(xié)作機(jī)器人能夠更好滿(mǎn)足各領(lǐng)域生產(chǎn)建設(shè)要求。

5.4 建模及規(guī)劃

針對(duì)與人類(lèi)共處同一工作空間的行為、狀態(tài)及意圖需求，充分發(fā)揮出協(xié)作機(jī)器人在促進(jìn)機(jī)器人與其它智能體協(xié)同合作的積極作用。在智能體使用建模能力的過(guò)程中，對(duì)通訊系統(tǒng)的依賴(lài)程度也會(huì)從根本上降低。同時(shí)，針對(duì)協(xié)作機(jī)器人合作動(dòng)態(tài)組織性及環(huán)境變化性的功能需求，針對(duì)協(xié)作機(jī)器人不同協(xié)作對(duì)象，明確機(jī)器人自身動(dòng)態(tài)自組織及環(huán)境變化重組特征[7]。借助全局控制理念，對(duì)協(xié)作機(jī)器人的智能動(dòng)作級(jí)別進(jìn)行全局劃分，確保協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)及各項(xiàng)功能能夠更好滿(mǎn)足相關(guān)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)建設(shè)需求。

5.5 安全功能

在協(xié)作機(jī)器人研發(fā)及技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注重提升機(jī)器人自身的安全機(jī)能，確保協(xié)作機(jī)器人能夠自行解決死鎖及避碰等問(wèn)題。具體而言，在協(xié)作機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行期間，會(huì)出現(xiàn)各項(xiàng)資源沖突問(wèn)題，如沒(méi)有相應(yīng)的解決措施，就極有可能出現(xiàn)運(yùn)行停止的現(xiàn)象。因此為確保協(xié)作機(jī)器人穩(wěn)定有序運(yùn)行，相關(guān)工作人員應(yīng)從機(jī)械人內(nèi)部通信及傳感設(shè)備的優(yōu)化入手，對(duì)機(jī)器人自檢功能進(jìn)行不斷完善。

5.6 合作功能

為充分發(fā)揮出協(xié)作機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行期間的積極作用，需相關(guān)研究部門(mén)應(yīng)從的實(shí)現(xiàn)自發(fā)地合作目標(biāo)的方面入手?，F(xiàn)階段多機(jī)器人及人機(jī)協(xié)同合同勢(shì)必要開(kāi)展多地自主研發(fā)[8]?，F(xiàn)階段協(xié)作機(jī)器人生產(chǎn)研發(fā)期間的合作工作分為純社會(huì)行為及協(xié)作行為，其中，協(xié)作行為是智能協(xié)作交互后的現(xiàn)象，屬于更距主觀性的合作行為，從而尋求多方經(jīng)濟(jì)利益最大化目標(biāo)。因此在協(xié)作機(jī)器人研發(fā)及技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)建立起更加完善的多部門(mén)協(xié)同關(guān)系，能夠更好提升實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)效率，從根本上推動(dòng)協(xié)作機(jī)器人市場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，協(xié)作機(jī)器人的研究及技術(shù)發(fā)展工作依然任重道遠(yuǎn)，在協(xié)作機(jī)器人實(shí)際研究推廣的程中，生產(chǎn)成本控制難度大、核心元器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)等問(wèn)題還在困擾著相關(guān)研究部門(mén)，需加強(qiáng)協(xié)作機(jī)器人研究及技術(shù)發(fā)展管理力度，結(jié)合各領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)建設(shè)需求，對(duì)協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行不斷完善及優(yōu)化。同時(shí)，積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及先進(jìn)理念，注重協(xié)作機(jī)器人人才培養(yǎng)，為協(xié)作機(jī)器人的研究及技術(shù)發(fā)展工作提供更加充分的人力及物力資源。

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