引言
隨著我國(guó)人口紅利的消失以及《中國(guó)制造2025》 規(guī)劃 的出臺(tái)，中國(guó)已連續(xù)3年成為全球最大工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇。
但目前工業(yè)機(jī)器人還存在著不少問(wèn)題：①機(jī)器人基本靠離、在線編程完成預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作，智能化程度不高；②由于環(huán)境自適應(yīng)性差、結(jié)構(gòu)笨重、運(yùn)行噪音大，為保證安全機(jī)器人基本工作在隔離網(wǎng)內(nèi)，缺少人機(jī)交互；③機(jī)器人安裝調(diào)試周期長(zhǎng)，不適應(yīng)企業(yè)對(duì)客戶的快速響應(yīng)和市場(chǎng)變化；④機(jī)器人成本較高，企業(yè)一次性投入負(fù)擔(dān)比較重。
為此，美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家把開(kāi)發(fā)能與人類協(xié)同工作的下一代協(xié)作性機(jī)器人作為主攻方向，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主感知、 規(guī)劃 、學(xué)習(xí)、和決策能力，使機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境與任務(wù)的變化，執(zhí)行正確的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。
1 人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的主要優(yōu)勢(shì)
人機(jī)協(xié)作機(jī)器人具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：①通過(guò)多傳感器融合，提高機(jī)器人智能水平，使編程更加簡(jiǎn)單，提高環(huán)境適應(yīng)性；②結(jié)構(gòu)靈巧、低功耗、低噪聲，無(wú)需安全圍欄實(shí)現(xiàn)人機(jī)并肩工作；③小型、輕巧、可移動(dòng)、安裝方便、即插即用，為用戶降低成本和時(shí)間；④使用范圍廣，不僅可以用在工業(yè)制造領(lǐng)域，也可以用在家庭服務(wù)、休閑娛樂(lè)場(chǎng)合，圖1為國(guó)際上典型的幾個(gè)人機(jī)協(xié)作機(jī)器人。
德國(guó)DLR、美國(guó)NASA等機(jī)構(gòu)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始 研究 空間機(jī)器人，并將此輕量、靈巧的機(jī)器人應(yīng)用推廣到民用領(lǐng)域 丹麥Universal Robots推出的三款系列UR 機(jī)器人是目前協(xié)作機(jī)器人商業(yè)化最好的，并且發(fā)展迅速，這種機(jī)器人重量很輕，易于安裝，具有非常直觀的編程功能。ABB的人機(jī)協(xié)作雙臂工業(yè)機(jī)器人YuMi，采用雙臂設(shè)計(jì)具有視覺(jué)和觸覺(jué)傳感器．每個(gè)手臂有7個(gè)軸并以軟性材料包裹， 可以擴(kuò)大工作范圍精度達(dá)到0．02mm，同時(shí)配備力傳感，只要碰到人類可在幾毫秒內(nèi)停止，可在開(kāi)放環(huán)境中與人類一起工作。KUKA的LBR iiwa有7個(gè)軸，能夠在適"-3位置進(jìn)行操作和柔順控制，其所有的軸中都具有高性能碰撞檢測(cè)功能和集成的關(guān)節(jié)力矩傳感器。
2 閑內(nèi)協(xié)作機(jī)器人的主要問(wèn)題
2．1 核心零部件依賴進(jìn)口，導(dǎo)致安全性和精度小高、可靠性和穩(wěn)定性差
機(jī)器人核心零部件主要包括電控系統(tǒng)、伺服電機(jī)和減速機(jī)。與之對(duì)應(yīng)的三大關(guān)鍵核心技術(shù)。主要掌握在日本發(fā)那科、日本安川、德國(guó)KUKA和瑞士ABB等少數(shù)國(guó)外機(jī)器人企業(yè)手中、這導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)企業(yè)由于在精度、可靠性和穩(wěn)定性等方面難以與前者匹敵，還很難被用戶信任。
機(jī)器人的核心部分中，本體、伺服、減速器、控制器，大多數(shù)都不很成熟，7軸機(jī)器人作為技術(shù)含量最高的機(jī)器人，國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒(méi)能達(dá)到很成熟的地步。機(jī)器人技術(shù)成熟的企業(yè)，機(jī)器人壽命可達(dá)l0年以上，而技術(shù)不過(guò)關(guān)的企業(yè)，壽命2～3年．因此國(guó)產(chǎn)機(jī)器人壽命基本為國(guó)外的一半。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)安全控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，為了節(jié)省成本，多數(shù)廠家會(huì)選擇以面向流程為主的安全工業(yè)PLC，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人某些專用的安全功能，例如速度限制、力矩限制、空間限位。
2．2 因安全性沒(méi)汁帶來(lái)的精度減低
協(xié)作機(jī)器人為了降低碰撞造成的損失，整個(gè)機(jī)器人的速度和重量必須被限制在一定的范圍內(nèi)，所以協(xié)作機(jī)器人的速度普遍部很慢，負(fù)載也較低，較小的自重導(dǎo)致剛性比傳統(tǒng)機(jī)器人
差很多，重復(fù)定位精度比一般的傳統(tǒng)機(jī)器人要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
3 關(guān)鍵技術(shù)
安全、精度及可靠性對(duì)策解析：
3．1 人機(jī)協(xié)作安全解決廳案
人機(jī)協(xié)作的安全控制方案無(wú)非兩種，一種是基于外部監(jiān)控的外部控制系統(tǒng)方案，另一種則是基于機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的內(nèi)部控制系統(tǒng)方案。
(1)區(qū)域監(jiān)控方案：激光距離傳感器安全光幕
大部分情況下，人類與機(jī)器人協(xié)同工作時(shí)，都要在機(jī)器人或者其所在的環(huán)境中安裝激光距離傳感器等，用于監(jiān)控機(jī)器人的整個(gè)工作區(qū)域。
(2)輕量型設(shè)計(jì)方案：機(jī)器人本體輕量化
輕量型設(shè)計(jì)也是人機(jī)協(xié)作安全的一個(gè)可行方案，通過(guò)減輕機(jī)器人的機(jī)身重量，可以有效地降低其對(duì)人體的沖擊，從而確保人機(jī)協(xié)作的安全。
(3)“本質(zhì)安全”方案：彈性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
Rethink Robotiecs公司的Baxter采用彈性驅(qū)動(dòng)，相比于剛性驅(qū)動(dòng)，彈性驅(qū)動(dòng)更加符合安全要求，就像被彈簧彈中和被硬物擊中的差別一樣、核心技術(shù)為串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器(SEA)，SEA包括一臺(tái)電機(jī)、一個(gè)齒輪箱和一個(gè)彈簧SEA的工作方式是通過(guò)測(cè)量彈簧的壓縮量來(lái)控制力的輸出，對(duì)于彈簧壓縮量的測(cè)量就是一個(gè)力傳感器。
(4)力受限方案：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
對(duì)于力受限的協(xié)同機(jī)器人進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，如果機(jī)器人調(diào)試到合理的力量和速度，潛在傷害的嚴(yán)重程度可以降低。
例如Universal Robots公司的UR 系列機(jī)器人，其重量只有l(wèi)8kg，其專利傳感器技術(shù)幫助其實(shí)現(xiàn)功率和力的限制功能。機(jī)器人知道使用多少力就足以提起負(fù)載并移動(dòng)它，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)移動(dòng)過(guò)程中所需的力矩或者力過(guò)高，例如在發(fā)生碰撞事故時(shí)，機(jī)器人手臂就會(huì)安全關(guān)斷不會(huì)造成傷害事故。
以上，就是工業(yè)機(jī)器人人機(jī)協(xié)作安全問(wèn)題的幾個(gè)典型的解決方案，這幾個(gè)方案在機(jī)器人集成中并非獨(dú)立應(yīng)用，而是互相滲透加持。而在未來(lái)，隨著人工智能的全面發(fā)展，未來(lái)工業(yè)機(jī)器人或?qū)⒑椭悄軝C(jī)器人一樣，具有更加智能的安全防護(hù)功能，從而在高效生產(chǎn)過(guò)程中保障工人安全。
3．2 高精度措施
(1)高精度減速機(jī)、伺服電機(jī)。提高機(jī)器人精度國(guó)外有成熟解決方案，國(guó)內(nèi)主要差距在減速器和伺服電機(jī)。
(2)目前國(guó)內(nèi)因核心部件所限，提高精度主要策略主要采用高精度控制方法。想要達(dá)到較高的位姿精度，需要控制系統(tǒng)提供以下功能：補(bǔ)償機(jī)械連桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差，如連桿加工誤差、裝配誤差、機(jī)械公差等；補(bǔ)償關(guān)節(jié)柔性及連桿柔性；提供高精度的機(jī)械零點(diǎn)標(biāo)定功能。
3．3 可靠性措施
目前國(guó)內(nèi)外機(jī)器人為了持久耐用，大都用的是日本的HD諧波減速機(jī)，國(guó)產(chǎn)的有綠的機(jī)器人的減速機(jī)，能夠做到2萬(wàn)h工作不影響重復(fù)精度； 國(guó)產(chǎn)的電機(jī)在材料和生產(chǎn)工藝上一直是個(gè)短板，廣州數(shù)控在6軸機(jī)器人上有部分應(yīng)用，但壽命與國(guó)外仍有一定差距；伺服驅(qū)動(dòng)一般是跟電機(jī)配套，做的比較好的是深圳匯川等；國(guó)產(chǎn)的控制器主要有固高，眾為興等等。
4 總結(jié)
本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)協(xié)作機(jī)器人痛點(diǎn)的 分析 ，總結(jié)了國(guó)內(nèi)協(xié)作機(jī)器人存在的問(wèn)題，并針對(duì)問(wèn)題提出協(xié)作機(jī)器人安全、可靠性、精度國(guó)內(nèi)外主要解決方案。
總之，國(guó)內(nèi)機(jī)器人核心零部件(控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、減速器)整體落后日本1O一20年，三大核心零部件一直沒(méi)有得到很好的解決，在成本及性能上制約著機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)零部件與國(guó)外差距至少十年，仍有較長(zhǎng)路走。
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