人机协作：下一代机器人的必然属性

□文/张含阳



人机协作：下一代机器人的必然属性

□文/张含阳

图1　比尔・盖茨

在开始人机协作机器人的阐述之前，我们来品味一段发人深思的演说—— “目前机器人行业的发展与30年前的电脑行业极为相似。今天在汽车装配线上忙碌的一线机器人，正是当年大型计算机的翻版。现在，我看着多种技术发展的趋势开始汇为一股推动机器人技术前进的洪流，我完全能够想象，机器人将成为我们日常生活的一部分”。这段话出自2007年的国际消费类电子产品展览会（CES）开幕式，演讲者不是别人，正是世界首富、普及个人电脑的革命者、30多年前创立微软的比尔・盖茨。从某种程度上，盖茨的这一番话就像一剂兴奋剂，激发了人类追求智能生活的热情。

从“家家拥有电脑”到“家家拥有机器人”，机器人产业正如计算机改变世界那样，从过去的日积月累，到现在的百花齐放，走向未来的全面普及。我们有理由相信，机器人必将像计算机一样，彻底改变生产、生活方式，甚至是人类的生存模式。但是，我们也应理性地认识到，机器人从工厂的装配线走到客厅，甚至走到你的枕边，还有很长的路要走。

人机协作式机器人产业发展必须突破的一个重要课题。在生产流程中，人机协作可以让机器人更好地和工人配合，适应更广泛的工作挑战。要想更深入地介入到人类生活中，人机协作水平的高低更是将成为衡量机器人优劣的重要指标。

张含阳本刊编辑

机器人需要与人类和平共处

从人类的角度上讲，机器人自诞生之日起，就是为人类服务的。既然服务的对象是人，那么机器人存在意义的前提就是“和平共处”。未来，机器人要想和人类如同伙伴一般在一起生活，除了实现与人类语言交流、思想和精神上的契合等长远目标之外，当下我们最需要满足的，同时也是最务实的需求其实还是希望机器人能够与人一同协作，与人类“共同”完成不同的任务。这既包括完成传统的“人干不了的、人不想干的、人干不好的”任务之外，更应包括能够减轻人类劳动强度、提高人类生存质量的复杂任务。正基于此，人机协作的概念应运而生，并逐渐被产业界、学术界、研究机构所追捧。

人机协作这一概念可被看做是下一代机器人必须拥有的属性，只有先实现“人机协作”，才有可能使“家家拥有机器人”这一伟大的梦想照进现实。而人机协作这一特性，将促进机器人更广泛的应用，促进机器人在人类生活中不可或缺的伙伴角色。

安全是人机协作的前提

在著名的《我，机器人》这部作品中，艾萨克・阿西莫夫着重强调了“机器人学三大法则”对机器人产业发展的重要性。其中重中之重地把“机器人不得伤害人类，或坐视人类受到伤害”放在了首位。可见，机器人的安全性在产业发展进程中扮演的角色是何等重要。

为了防止工业机器人在操作过程中对人类的安全造成威胁，国际标准化组织规定，工业机器人必须与操作者和其他工作人员分离，而我国也对机器人的安全性制定了相关国家标准。

众所周知，为了保证机器人足够安全，自从工业机器人诞生半个多世纪以来，绝大部分工业机器人都被安置在静态、确定的“被隔离”环境中，且完成的是单一重复性任务。空间上往往由非常坚固的围栏把机器与人隔离开。这样的应用方式当然也就谈不上更高层次的“走入人类生活”了。近年来，随着两化融合的趋势不断加深，制造业开始出现定制化、个性化、柔性化的发展趋势，这就对传统机器人这种固定的生产模式提出了严峻的挑战。

图2　机器人学三大法则

表1　涉及机器人安全的国家标准

图3　围栏将人与机器人相隔离

举例而言，电子电器行业已经被公认为未来将超过汽车行业而成为机器人应用的最大市场。过去的电子电器行业的装配生产线往往采取自动传输线旁人力密集堆积的模式。在自动化改造过程中，大家就发现，所有的工位一次性完全由机器人替代几乎是不可能完成的任务，只能部分替代。这种情况就导致了机器人与人之间的“亲密接触”不可避免，而传统的工业机器人不能满足企业生产安全性的需求。机器人与人协作的安全性考量已经成为人机协作未来发展的重中之重。

目前，相比尚未成熟的服务机器人市场，人机协作机器人已经在工业机器人领域初露锋芒，毕竟工业领域是机器人应用最广泛、最成熟的一片热土。这种新型机器人能够直接和操作人员在同一条生产线上工作，但却不需要使用安全围栏与人进行隔离，这无疑在全手动和全自动的生产模式之间构建了新的桥梁。

由于生产流程中的工作任务日趋复杂，同时还要保证降低成本、效益最优，因此人们希望机器人技术能够不断提高与人类、设备之间的互动。虽然，人机协作机制将允许机器人完成更广泛的、更复杂的任务，但是它也提出了机器人在安全性方面的种种问题。而事实是，增加机器人的安全性往往意味着性能上的妥协，这就要求设计人员必须在两者之间寻求平衡，以保证安全与性能的双赢。

那么，在“安全机制”层面，人机协作应该满足哪些特征，才使得人机协作机器人的属性足够与人“和平共处”呢？

轻量化

对于传统机器人来说，动辄几百千克，甚至上千千克的自身重量本身就为安全性增加了隐患。

从学术的角度来看，这种机器人运动时的惯量非常大，而我们所控制的动力不足以改变其动作，让它停止，即便控制做得再好，也是于事无补，那么传统机器人那种粗重的结构就是不安全因素之一。因此，若要满足机器人的安全机制，首先需要解决的就是机器人的轻量化问题，也就是开发重量尽可能轻的轻型机器人。

友好性

人机协作机器人具备的友好性是指设计人员在设计时，需要保证机器人的表面和关节必须是光滑且平整的，不能带有尖锐的转角或者易夹伤操作人员的缝隙。

感知能力

人机协作机器人应该能够感知周围的环境，并根据环境的变化改变自身的行为。比如，当机器人手臂撞击到人类手臂时，人机协作机器人可根据力觉传感器感知到人类手臂的存在，并及时做出停止、远离或其他保护人类安全的动作。

人机协作由来已久

实际上，人机协作技术很早以前就已经成为全球各大高校、机器人研究所争相攻关的机器人技术。但是，在上世纪90年代之前，还尚未有成熟的产品进行商业化量产。

美国在人机协作方面的研究起步较早，世界上第一台商业化人机协作机器人便诞生于美国Barrett Technology公司。Barrett Technology创立于1990年，从麻省理工学院（MIT）中孵化而出，而其任务就是设计研发设计世界上第一台触觉机器人手臂，而Barrett Technology也获得了美国能源部（DoE）、美国国家航空航天局（NASA）、美国国家卫生基金会（NSF）的大力支持。

图4　美国Barrett创始人Bill Townsend与WAM机器人（1997年）

图5　机器人工程师正在展示一部WAM机械臂（2009年）

WAM 7-100机械臂相关参数

1995年5月，WAM机械臂首次在NASA肯尼迪航天中心公开。而在基准测试结果中，7自由度的WAM机械臂在速度和加速度方面的表现远远超过了当时其他著名的商用机器人，比如PUMA 562、 Motoman K10S、Schilling Gamma 7F。

目前，Barrett Technology公司拥有全世界最先进的伺服技术，WAM机器人采用全世界最小的伺服驱动器，重量仅43克。

除了美国之外，德国作为制造业强国，对于人机协作的研究自然也是由来已久。比较有代表性的就是德国宇航中心的机器人学及机电一体化研究所，即DLR（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.）。

DLR开始设计人机协作机器人（LightWeight Robot，LWR）起源于1991年，而真正使得轻量级机器人得到长足发展的关键点则是1993年德国宇航中心的空间机器人实验ROTEX（Spase Robot Technology Experiment），该计划在哥伦比亚号航天飞机上的空间实验室内顺利完成。但是，彼时的机器人还十分笨重，以至于无法在地面上工作。而正因如此，科研人员才切实感受到小型轻量机器人的重要性，并开始设计研发。

DLR对人机协作技术深耕十几年，其研究与发展也伴随着三代轻量型机器人的问世——LBR Ⅰ（1991年）、LBRⅡ（1998年），以及LBRⅢ（2003年）。

这三代机器人具有两个共同的特征：

第一，他们都是冗余自由度机器人，拥有7个自由度，可模仿人类手臂进行一些复杂动作；

第二，所有的关节具备力矩测量功能，该功能通过安装在减速器输出端的力矩传感器实现。

实际上，作为德国著名的机器人生产商，全球机器人“四大家族”之一的KUKA在人机协作方面的研究与DLR之间也有着千丝万缕的联系。与科研机构的高效合作，使KUKA将很多科研项目转化为成熟的商业产品，其与DLR在人机协作方面的合作就是典型之一。在研发LWR的过程当中，KUKA扮演了不可或缺的角色。LWR在之前的十几年时间由DLR研发，之后便开始由KUKA与DLR共同研发，并成功实现了技术转化。

2003年，在德国联邦科教部的支持下，旨在帮助两者有效结合的PAPAS项目开始实施，KUKA与DLR第一次开始联合。DLR主要负责提供带有基本控制策略的人机协作机器人LWR，而KUKA则负责提供更高级的KRC控制器。一年后，在全球最大的机器人展览Automatica 2004上，DLR和KUKA联合发布了新产品——RoboAssistant。

之后KUKA和DLR在更多领域内开展了更加深入的合作，包括如何开发轻量型人机协作手臂，更好地理解传感器组件和集成电子元器件。KUKA决定开始小批量生产DLR 的LWR第三代人机协作机器人。

图6　由DLR开发的三代机器人

图7　Automatica 2004：首次公开展示 “RoboAssistant”

图8　Automatica 2006：柔性表面处理（左）和“手把手”示教编程（右）

2006年，KUKA在Automatica的展位上展示了LWR第三代在复杂环境下的应用。通过展览，KUKA发现LWR第三代机器人远远不能满足市场需求，因此LWR第四代应运而生。从2008年，此时的LWR已经更新至第四代，并计划开始向全欧洲的客户销售共计60台该型号的人机协作机器人。

2014年11月，KUKA首次在中国发布人机协作机器人LBR iiwa。该款人机协作机器人的负荷达到7千克，最大工作范围为8米。LBR iiwa采用7自由度设计，并使用集成传感器。 iiwa具备高灵敏性，其所有的关节都具备高性能碰撞检测以及关节力矩传感器。为了更好地人机协作，iiwa采用友好的流线型设计，并且非常适合安装在狭小的工作空间。该轻型机器人甚至可以在车辆内部有限空间内开展作业。例如，它可以在车辆内部前后移动，完成螺丝拧紧作业。目前，iiwa具有两种型号，有效载荷分别为7千克和14千克。LBR iiwa人机协作机器人的问世凝聚了众多DLR和KUKA研发者的智慧与合作，可谓“产学研”结合的典型代表。

图9　德国KUKA推出的LBR iiwa

除了KUKA之外，同为全球机器人“四大家族”之一的欧洲机器人巨头ABB也于2014年发布了其首款人机协作机器人YuMi。为了保证人机协作的安全性，YuMi所有电路和气路均内置，手臂是缓冲防护型，增强了工人的安全性，以防止操作中与机器人发生意外触碰。由于该款人机协作机器人采用轻量化设计，除了进一步增强机器人的安全性之外，还有利于缩小安装空间。

ABB设计的人机协作机器人的运行速度可达到1.5米每秒，既增加了产量，也提高了工厂的生产效率。YuMi采用双臂操作，可并行处理两项任务，同时可实现接触力感应装配，与人类的动作非常类似。

图10　ABB公司推出的YuMi

同样来自欧洲的优傲机器人公司（Universal Robots）也是人机协作机器人家族中典型的代表之一，目前已形成UR3、UR5、UR10系列人机协作机器人。这三款人机协作机器人负载分别为3千克、5千克、10千克，是人机协作机器人中的典型代表。

图11　优傲人机协作机器人：UR3（左）、UR5（中）、UR10（右）

2005年，优傲诞生于丹麦。凭借超高的性价比，优傲机器人迅速成为中小企业热捧的机器人产品。3年后，优傲获得丹麦国家投资基金（Danish State Investment Fund）以及丹麦著名风险投资公司Syddansk Teknologisk Innovation的大力支持。优傲的首台产品是—— UR5，六关节的人机协作机器人，它获得了工业机器人市场的极大关注。UR5 自重仅18千克，有效负载高达5千克，工作范围为85厘米。

优傲之所以很快获得市场欢迎，除了强大的市场需求之外，最关键的是，优傲在人机协作机器人领域创造的价格优势，其关键的关节力觉感知使用的并不是力矩传感器，而是通过感知电机电流变化的方式实现力反馈，从而进一步降低了优傲机器人产品的生产成本，使其获得了很大的市场竞争优势。

而真正使优傲机器人声名大噪的事件发生在2015年。美国著名自动测试设备供应商、纽交所上市企业泰瑞达（Teradyne）以高达2.85亿美元的超高资本收购优傲机器人公司，引起了资本界、媒体界的大量关注，一时间，优傲也成为了人机协作机器人市场的红人。

被誉为“机器人王国”的日本，在人机协作技术上的研究自然也是风头正劲，作为“四大家族”的安川电机和发那科都在近年重磅发布了旗下多种类协作型机器人。其中比较典型的是发那科于2015年发布的该领域具有全球最大负载的CR-35iA，最高载荷可达到35千克，远远超过其他公司生产的轻型协作机器人，可谓是人机协作机器人中的“海格力斯”。

除了可与操作人员共享区域作业，相互协调，进行重零件的搬运、装配等作业，触碰到人时会立刻安全地自动停止等人机协作机器人必备技术之外，CR-35iA还安装了绿色“柔软”外壳，缓和冲击力，大大增加了友好性，保证操作人员免于伤害。

图12　发那科推出的CR-35iA

说到人机协作机器人，就不得不提到一家位于美国波士顿的机器人厂商，其创始人有着传奇的经历。麻省理工学院（MIT）人工智能实验室、电脑科学和人工智能实验室（CSAIL）前主任，美国纳斯达克上市公司iRobot创始人、前董事会成员、前CTO……他就是罗德尼・布鲁克斯（Rodney Brooks），现任Rethink Robotics董事长、CTO。

图13　美国Rethink Robotics公司推出的Sawyer（左）和Baxter（右）

Rethink Robotics的成功在于出色地控制了机器人的生产成本，并创造了价格神话。据了解，作为一款智能型的人机协作机器人，其造价成本控制在目前普通工业机器人的一半以下，而其售价（以Baxter为例）仅约2万美元，可谓性价比超高，这也为Rethink Robotics赚足了噱头。

而Rethink Robotics近期推出的Sawyer机器人正是瞄准了当前中国制造业市场，特别适合中小企业业务多样而小负载的工作，能够满足个性化、柔性化制造的需求。Sawyer拥有很高的自适应精确度，其能够在半构化的环境中有效完成公差为0.1mm的实际应用。Sawyer的柔性关节臂的功率和力度都受到限制，每一个关节都包含高分辨率的力矩传感器，同时采用自有的串联弹性驱动器（SEA），使其完成柔顺驱动，提供安全有效的人机交互。而且，Sawyer还能够根据自身所处环境的变化而变化。比如，当操作人员经过时，它可以减慢自身的运行速度，以降低对人类的威胁。

商业上，我国人机协作机器人的成品化进程相对较晚，但我们也可喜地看到了成果。2015年，我国最大的机器人产业化基地、机器人产业的龙头企业——沈阳新松自动化股份有限公司推出了国内首款高端7轴人机协作机器人。为了抢占高端机器人市场，获得市场话语权，沈阳新松开发了这款高灵活度、易使用、适应人机协作需求的7自由度拟人化柔性多关节工业机器人。沈阳新松开发的柔性多关节机器人采用力反馈技术，能够在运转过程中灵敏地感知到、触碰到外物并及时停下来，从而有效保证了协作人的人身安全。

该机器人拥有完全自主知识产权，具有快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测等功能，其极高的灵敏度、灵活度、精确度和安全性的特征，特别适用于布局紧凑、精准度要求高、工作空间有限的柔性化生产线，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。当然除了传统的汽车、电子等工业领域之外，沈阳新松生产的柔性多关节机器人还可应用于医药、精密仪器等行业，具有广泛的适用性。

人机协作应用丰富

在“工业4.0”的大环境下，人机协作机器人除了能够开拓全新的制造业生产模式之外，其良好的安全性、灵活性、易用性等特殊性能还能够广泛服务于工业之外的其他领域，比如医疗业、服务业等。北京理工大学机器人研究所作为中国顶级机器人科研单位之一，在人机协作技术方面有着深厚的底蕴，而其人机协作技术在医疗卫生、服务等领域的应用方面也获得了很多赞誉。

北京理工大学智能机器人研究所的黄远灿课题组是国内最早开发安全协作型机器人臂的单位之一，在国家自然科学基金支持下，他们研制了世界上第一台柔性驱动的按摩机器人臂，能实现类似人类按摩师的按摩手法，参加了2013中国工业机器人成果对接与交流会和第二届中国（北京）国际服务贸易交易会（京交会）。2013年11月，IEEE Spectrum介绍了该按摩机器人臂，称其将“取代”人类按摩师。在国家“十二五”科技支撑计划支持下，他们还与北京东直门医院和哈尔滨工业大学联合开发了世界上第一个能对中风偏瘫病人进行全身康复训练的仿人形康复机器人。

图14　沈阳新松公司推出的柔性多关节机器人

未来前景看好

自人类发明机器人以来，就以替代人力完成生产任务为目标，而与之伴随的是对大量工厂失业人员担忧。当然，短期来看，“机器换人”的大潮势必会带来部分人的下岗，但是从长远和全局看，机器人的效用不但不会抢走我们的饭碗，反而还能够催生更多类型的工作岗位、更高质量的生产模式，并提高制造业的整体水平。人机协作更是如此，它的出现从本质上并不是要替换人类的某种单一重复性的任务，而是更智能地陪伴人类完成更多复杂多变的任务，甚至开创原来无法完成的高难度工作，因此，我们有理由相信，人机协作在接下来的机器人产业发展进程中势必获得越来越多从业者的欢迎。

图15　人机协作机器人在医疗上的应用

机器人教育总动员

“十年树木，百年树人”，小到每个个体，大到整个民族，教育对于一个国家的发展举足轻重。在“创新”一词方兴未艾的当下，如何突破固有思维，开拓教育新思路，最终提高国民，尤其是青少年的科技素养，是许多专家、学者、科技界、教育界人士苦心孤诣之所在。

机器人产业的发展始终面临着人才不足的现状，而机器人作为集合多学科、多任务于一体的高科技产品，无疑成为了科技创新教育的有效载体，并在今年迅速成为教育产业中一颗闪亮的新星。根据中国机器人教育联盟在2015年11月发布的数据，全国共有约7600家机器人教育机构，最近5年增长了近15倍。预计到2016年年底，这个数字将突破1万。

“居安思危”，在看到产业百花齐放的同时，并不代表我们可以高枕无忧。与很多新生事物一样，机器人教育的发展路径也需要冷静思考，细心沉淀。与传统教育不同的是，近些年风生水起的机器人教育，无论是在发展模式、体质机制还是教育手法、支持政策等各个方面均处于探索阶段。

梳理历史、理清现状、提出对策，我们才能更好地乘风破浪，为我国机器人产业的长远未来贮足后备力量，为我国教育事业的创新发展，注注入更新鲜、更有生命力的血液。