破局七轴工业机器人发展

□文/卢月品、张含阳



破局七轴工业机器人发展

□文/卢月品、张含阳

近期，国际知名机器人厂商纷纷发布七自由度工业机器人产品，这引发了我们的思考。七轴工业机器人从上世纪七十年代末逐步发展至今，为工业自动化的推进起到了重要的作用。由于具备其独特的技术优势，因此其相关产品动向更值得我们深入研究。

众所周知，目前较先进的传统机器人一般最多具有六个自由度，其中，前三个自由度引导夹手装置至所需的位置，而后三个自由度用来决定末端执行装置的方向。在三维空间内，刚体需要六个独立参数确定其位姿，因此，机器人的任务空间最多需要六个自由度就足够了，一般不要求机器人具有六个以上的独立自由度，而过多的自由度就会产生冗余自由度。

冗余度机器人，是指含有主动关节数多于完成某一作业任务所需的最少自由度数的一类机器人。其实，如上文所说，六个自由度是具有完成空间定位能力的最小自由度数，而增加的自由度便可改善机器人相关的运动学和动力学特性。

虽说真正产品化的七自由度工业机器人与传统的六自由度，甚至更少自由度的工业机器人相比，无论是从产品种类，还是销售占比差距都十分明显。但正是由于其拥有有别于非冗余自由度机器人的冗余特性，使得七自由度的机器人优于六自由度机器人，而成为人们关注的焦点，也使得对冗余度机器人的研究变得日趋重要。

七轴机器人广泛用于医疗、深海、遥操作等应用场合中。虽说冗余自由度机器人在工业的应用场合远不如医疗机器人、特种机器人的需求那么大，可就在近期，各机器人厂商纷纷发布最新的人机协作机器人，它们几乎全部都采用七个轴的冗余自由度工业机器人。国际知名机器人厂商纷纷发力，推出七轴机器人新产品，以抢占高端新市场，这更引发了我们对于七轴工业机器人的深入思考。

在机器人历史沿革中，七轴工业机器人经历了怎样的曲折发展？冗余的自由度能够为机器人带来哪些好处？存在哪些研发难点？近年来国际上发布了哪些工业七轴机器人产品？我国的产业布局又是如何？这些问题可在本文窥见一斑。

我国研发始于20世纪90年代初期

上世纪70年代末80年代初，为了更好地解决空间技术难题和先进制造的需要，国外科研人员开始对冗余自由度机器人进行研究。1979年，东京大学便研制了UJIBOT七轴机器人操作手；1987年，日本MITI机械工程实验室研制了七轴直接驱动型机器人操作手；美国的Robotics Research公司于1987年更是开发出有两个七自由度机器人和三自由度组成的机器人系统。

我国对于七轴机器人的科研工作始于20世纪90年代初，而当时项目的领军人物正是我国已故的著名机器人技术专家、中国工程院院士张启先，而张启先院士的主要贡献之一便是完成了七自由度冗余机器人样机的研制。

上世纪80年代末，由于研制难度及其之大，国际上研制出七自由度冗余机器人样机的国家寥寥无几。而张启先院士率领课题组经过几年的艰苦拼搏，在1993年年底完成了首台七自由度冗余机器人样机的研制，并一次通过“863”课题验收和部级鉴定。

此项成果不仅在我国处于领先地位，而且在某些方面还达到国际先进水平。1995年，北京航空航天大学机器人研究所为香港科技大学研制的新型“七自由度机器人”采用了交流伺服电机驱动，而且控制系统更为先进可靠。该样机在香港科技大学展出后，受到了校方的一致好评。

尽管我国在冗余自由度机器人方面取得一定成果，但主要停留在学术论文、科研报告和实验样机的阶段，并没有实现真正的产品化发展，这无疑制约了我国机器人产品向高端产业化迈进的步伐。

图1　中国工程院院士 张启先

图2　一种典型的冗余手臂

在制造业中的应用颇具潜力

对于六轴工业机器人来说，因其机构属性，当其末端位姿轨迹规定之后，不可避免地存在一些问题。比如无法避障、运动灵活性差、不能克服关节运动极限、动力学性能偏弱等天然弱点。冗余自由度机器人具备独有的自运动特性，能够克服传统机器人的种种弱点。另外，冗余的自由度还具有容错性，这对于很多特殊环境的应用场合有着极其重要的实用价值。

在很多特殊的制造业场合，我们可以利用其冗余的自由度来改善传统机器人臂的不足，达到仿人类手臂的运动特性和操作灵活性的效果。

实际上，七个自由度是机器人对人类手臂最真实的还原。人体手臂不仅具有采用多种方式完成多种任务的能力，而且针对同一种任务，也可以通过多种方式来完成，而七轴机器人正是具有类人的高度运动灵活性。

在现实的制造工厂中，会存在诸多障碍物较多的狭小场所，如果人们希望机器人避开周围的障碍物而顺利搬运工件的时候，七轴机型就能发挥其独有的优势。另外，七轴机器人可做到六轴机器人无法完成的动作，例如固定好工件位置之后只转动中间一截机器人臂。

再比如，汽车行业中有将多台机器人组成紧凑型系统的需求，这时就需要将机器人高密度摆放。六轴机器人由于自由度不够、避免机器人之间的干涉有局限、在高密度设置时有限制。这种情况时就需要自由度更高的七轴机器人来避免干涉。为了实现焊接的高速化、高质量，双电极焊接法作为一种方案被提出。在双电极焊接法中两个电极都需要沿着焊缝进行焊接，六轴机器人由于其自由度不够，会有与夹具或工件干涉的问题。使用七轴机器人则可以通过机器人臂姿态的调整解决这个问题。

随着工业自动化的发展，机器人的智能化应用变得越来越广泛，而机器人智能化的体现，不仅取决于它所具备的智能控制系统，在一定程度上还有赖于机器人的结构特性。而冗余自由度机器人因其自身的几何结构所具有的高度灵活性，得到了广泛研究和迅速发展，已成为机器人技术发展的一个重要方向。

具备诸多技术优势

到底七轴机器人比六轴机器人强在哪儿？从技术角度看，主要有以下几个层面。

改善运动学特性

在机器人的运动学问题中，三个问题使得机器人的运动受到非常大的限制。

第一是奇异构型。当机器人处于奇异构型时，它的末端执行器不能绕某个方向进行运动，或者施加力矩，因而奇异构型极大的影响了运动规划。

图3　此六轴机器人四轴和六轴共线，发生奇异

第二是关节位移超限。在真实工作情况下，机器人每个关节的运动的角度范围是受到限制的，最理想的状态是正负180度，但是很多关节是做不到的。另外，七轴机器人可以避免角速度运动过快，让角速度分配得比较均匀。

表1　新松七轴协作机器人各轴运动范围及最大角速度

第三是工作环境中存在障碍。在工业环境下，很多场合存在各种环境障碍，传统的六轴机器人无法只改变末端机构的姿态，而不改变末端机构的位置。

对于机器人的可达工作空间，在此空间内，机器人不但可以保证位置，末端的姿态也可以保证，是整个工作空间的一个子空间。对应给定的可达工作空间的末端位姿，六轴机器人很难解决以上问题。在工业应用场合，常常以牺牲末端位姿路径的跟踪精度为代价来解决这些问题，而七轴的机器人就可以扩大其可达工作空间的范围，从而实现壁障、避免奇异构型、在允许范围内限制关节位移。这些运动不会引起末端的运动，因此多了的自由度使得七轴机器人可实现自运动。由于七轴机器人的运动学逆解有无穷多个，因此这也使得科研人员能够充分调动主观能动性，利用其自运动改善运动品质，完成更多复杂的任务。

改善动力学特性

对于七轴机器人而言，利用其冗余自由度不仅可以通过运动轨迹规划达到良好的运动学特性，并且我们可以利用其结构实现最佳的动力学性能。

七轴机器人可实现关节力矩的再分配，这里涉及到机器人的静力平衡的问题，也就是说，作用在末端的力，通过一定的算法算出每个关节承受的力有多大。对于传统的六轴机器人来说，其每个关节的力是一定的，它的分配可能很不合理。但是对于七轴机器人来说，我们可以通过控制算法调整各个关节的力矩，让薄弱的环节承受的力矩尽量小，是整个机器人的力矩分配比较均匀，更加合理。

容错性

机器人在发生故障时，如果有一关节失效，传统六轴机器人便无法继续完成工作，而七轴机器人可以通过重新调整故障关节速度（运动学容错）和故障关节力矩（动力学容错）的再分配实现继续正常工作。

国际厂商竞相跟进

目前，无论从产品角度，还是从应用角度，国际上七轴工业机器人，都仅仅处于初步发展阶段，但各大厂商纷纷在各大展览会力推相关七轴机器人产品，可以想见对其未来的发展潜力还是十分看好的。

图4　KUKA LBR iiwa七轴机器人

图5　安川电机莫托曼SIA系列机器人

2014年11月，“四大家族”之一德国著名工业机器人制造商KUKA在2014中国国际工业博览会机器人展上，首次发布KUKA第一款七自由度轻型灵敏机器人LBR iiwa。

LBR iiwa七轴机器人基于人类手臂进行设计，其结合集成的传感器系统，使该轻型机器人具有可编程的灵敏性，并使其具备了非常高的精确度。而七轴的LBR iiwa所有的轴内均配备高性能碰撞检测功能、集成的关节力矩传感器，以实现人机协作。

七轴的设计，使得KUKA的该款产品有较高的灵活度，可轻松地越过障碍物。LBR iiwa机器人的结构采用铝制材料设计，其自身重量只有23.9千克。其负荷有两种，分别为7千克和14千克，使其成为首款负荷超过10千克的轻型机器人的产品。

日本知名机器人制造商，“四大家族”之一的安川电机也发布了多款七轴机器人产品。其中SIA系列机器人是轻型敏捷型七轴机器人，该系列机器人能够提供类人的灵活性，并且能够快速加速。该系列机器人采用轻量化和流线型设计，使其非常适合安装在狭小的空间内。SIA系列可提供较高的有效载荷（5千克至50千克）以及较大的工作范围（559毫米至1630毫米），很适合从事装配、注塑、检验等操作。

图6　安川电机莫托曼VA1400Ⅱ

除了轻型七轴机器人产品外，安川还发布了七轴机器人焊接系统，其高自由度能够尽最大可能保持最适合的姿态以实现高品质的焊接效果，特别适合内面的焊接，达到最佳的接近位置。并且该产品能够高密度布局，容易回避其与轴和工件之间的干扰，显示出其优良的避障功能。

2014年11月，ABB在中国推出最新机器人产品YuMi，它是第一款双臂轻型人机协作型机器人，而其每个单臂均为七个自由度，机身重量为38千克。其每条手臂的负载为0.5千克，重复定位精度可达到0.02毫米，因此特别适合小件装配、消费品、玩具等领域。从机械手表的精密部件，到手机、平板电脑，以及台式电脑零件的处理，对于YuMi来说都不在话下，而这正体现出该款冗余度机器人表现出的扩大可达工作空间、灵活敏捷、精确等种种优良特性。

图7　ABB YuMi机器人（左双臂、右单臂）

图8　那智不二越Presto MR20

日本著名机械制造企业那智不二越已开发出多款七轴机器人产品。早在2007年底，那智不二越便开发出七自由度的机器人“Presto MR20”。通过采用七轴设计，使得机器人能够像模仿人类手臂那样执行更加复杂的工作流程，在狭窄的工作区域运动。另外，机器人前端部分（手腕）的扭矩增加到了原来传统六轴机器人的约两倍左右，标准配置的扭矩为20千克，通过设定动作范围，最大可搬运30千克的物品，工作范围达到1260毫米，重复定位精度为0.1毫米。通过采用七轴结构，MR20在机床上取放工件时可从机床侧面进行作业。这样一来，就提高了事前准备和维护等作业效率。机床间的空间能够缩小至传统六轴机器人的一半以下。

图9　那智不二越MR35/50机器人

除此之外，那智不二越还发布了MR35（负载为35千克）、MR50（负载为50千克）两款可在狭小空间和有障碍物场所的应用场合使用的工业机器人。

图10　OTC七轴工业机器人FD-V6S（左）、欧地希FD-B4S（右）

日本DAIHEN集团欧地希推出了最新的七轴机器人（FD-B4S、FD-B4LS、FDV6S、FD-V6LS、FD-V20S）。由于有第七轴的回转，它们可以实现像人的手腕一样的扭转动作，能够实现一周以上的焊接；另外，七轴机器人（FD-B4S、FD-B4LS）将焊接电缆内藏于机器人本体，因此在示教作业时无需在意机器人与焊接夹具及工件间的干涉，动作非常顺畅，焊接姿态自由度也得到了提高，能够弥补传统机器人因与工件或焊接夹具的干涉而造成无法进入焊接的缺憾。

Rethink Robotics是一家由著名的MIT教授罗德尼布鲁克斯（Rodney Brook）创办的机器人公司,因创造了工业机器人的价格神话而闻名。最近推出的新产品瞄准了中国的制造业市场。其双臂工业机器人Baxter，售价仅约2万美元。

图11　Baxter机器人

Baxter机器人自重74千克，拥有两个七自由度机器臂，单臂最大工作范围为1210毫米。Baxter可同时处理不同的两项任务以增加适用性，或者实时处理同一任务以实现输出最大化。

图12　Sawyer机器人

Sawyer在很多方面与Baxter类似。其柔性关节采用了相同的串联弹性驱动器，但其关节所采用的驱动器被重新设计，使其更小巧。由于采用了七轴的设计，并且工作范围扩展至100毫米，因此能完成负载更大的工作任务，载荷可达到4千克，比Baxter机器人2.2千克的有效载荷大了不少。

我国产业布局几何

目前，我国绝大多数工业机器人企业还尚未发布七轴工业机器人产品，其中有一部分表示正在研发相关产品，会在年内有相关产品问世，而另有一些企业则表示对七轴工业机器人产品有关注，但尚未计划设计研发相关产品。

作为我国机器人产业龙头企业的新松，于近期发布了首台轻型七轴人机协作型机器人，其自身重量为29千克，负载为5千克，重复定位精度可达到0.02毫米，工作半径可达800毫米。它具备快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测等功能，特别适用于布局紧凑、精准度高的柔性化生产线，满足精密装配、产品包装、打磨、检测、机床上下料等工业操作需要。

存在的主要问题

我国的机器人产业在七轴工业机器人的理论研究有了很大进步，而商业化产品方面仍与国外有较大差距。究其原因，主要有以下两个方面：

一是自主创新能力弱。缺乏核心及关键技术的原创性成果和创新理念，我国工业机器人总体技术与国外先进水平相比，差距在十年以上。

二是企业盈利能力较低，研发资金短缺。核心零部件技术的缺失导致企业生产成本高企，加之外资厂商纷纷降价，2015年70%以上企业的本体业务处于亏损状态。

如何解决

针对以上问题，我们提出三项建议：

一是推进创新环境建设。加强政产学研用合作与对接；建设各种先进机器人技术的实验环境；加大资金扶持力度，支持公用技术平台建设。

二是重视下一代技术和标准。除了当前着手攻克伺服电机、精密减速器等关键零部件技术之外，也要重视人工智能、感知、识别、驱动和控制等下一代技术的研发。

三是壮大机器人产业人才队伍。将机器人技术进一步纳入相关学科建设体系；着力培养和引进高水平科研带头人；运用职业培训并通过实际项目锻炼来培育高技能人才。

图13　新松柔性多关节机器人