协作机器人产业技术与发展趋势综述

李丁丁，石秀敏，邓三鹏，祁宇明，陈 伟，周裔扬，周旺发

（1.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究院；天津 300222；2.天津市智能机器人技术及应用企业重点实验室，天津 300352）

0 引言

制造业作为实体经济的重要组成部分，一直以来都是推动我国经济发展的驱动力和重心，2015 年国务院在印发的《中国制造2025》中对当前我国制造业发展的形势及其方向任务做了深入的分析，同时清晰的指出制造业的发展转型任务是推进我国经济社会的发展和国防建设的必要工作。因此，如何提高制造业中各项关键技术的创新能力水平及提高企业全员劳动生产率，是推动当前我国从传统制造国家到现代化制造强国的关键[1]。2020 年由于全球新冠疫情的蔓延，越来越多的企业考虑通过使用机器人配合员工提高生产质量和降低人工使用成本。

协作机器人相比于传统工业机器人也具有更加安全、简单的工作优势，具备较强的发展潜力[2]。协作机器人安全性和操作的简洁性、灵活性不断提高，优势得到了充分发挥，在越来越多的领域得到了应用，包括焊接、无人零售、装配、物流、医疗、教育等。随着基于深度学习和多传感器信息融合技术在协作机器人应用上的深入研究，协作机器人与外围设备也在不断进行技术融合，这进一步增强了协作机器人产业在下游应用场景中的竞争力。

1 协作机器人发展现状

协作机器人概念于1996 年被首次被提出，经过近30 年的研究发展，机器人硬件和传感器技术水平都有了较大的提升，许多品牌机器人制造商开始对协作机器人投入研发，并推出各自的产品。2014 年库卡公司推出LBR iiwa 重复精度士0.03 mm，采用全铝外壳，具有7 个自由度[3]。2015 年ABB 公司正式公布YuMi 双臂协作机器人，这在当时尚属首例。发那科2015 年发售的CR-35iA，外部包裹软护罩，还加载了视觉系统。安川公司2015 年推出HC10，可以根据工作场景切换为“协作模式”和“高速工业式”。国内协作机器人中具有代表性的有遨博的AUB0-i5 作业半径886.5 mm、哈工大的轻型协作机器人T5 质量22.1 kg 作业半径却可达850 mm、大族的Elfin 单臂负载能力为5 kg，作业半径达800 mm、新松的柔性协作机器人SCR5 在负载5 kg 的情况下，精度仍可以达到0.02 mm、达明的TM5 负载能力6 kg，自身质量仅为22.1 kg 等。

2 协作机器人应用的关键技术

2.1 安全性与稳定性方面

协作机器人较为创新的突破在于，机器人与人可以安全的在同一环境下工作，但是目前协作机器人的安全性与工作稳定性方面技术仍然不够成熟[4]。现阶段协作机器人对于碰撞检测，主要有电流反馈碰撞检测和附加传感器检测两种技术，停止策略技术是在碰撞检测技术的基础上根据工作环境对碰撞检测信息处理的一种方法[5]。

电流反馈碰撞检测技术，是基于机械臂关节电机在不同转速下电流变化区间稳定在一定范围的原理，通过主控电路板对电机转动速度与电流进行监测，并计算出电流变化是否在合理范围内，从而判定是否发生碰撞[6]。检测流程图如图1 所示。

图1 电流反馈碰撞检测

附加传感器检测技术，包括视觉检测、力矩检测两大类，本文主要介绍不同传感器技术的基本检测方法。视觉检测技术目前主要应用为基于微软Kinect相机视觉检测技术进行检测。通过对工作人员深度信息检测和骨骼跟踪，判断工作人员是否处在安全区域内、执行工作动作以便做出进一步的处理[7]。检测流程示意图如图2 所示。力矩检测技术目前主要电阻应变片传感器技术进行检测，电阻应变片放置于机械臂关节处，通过电桥电路、放大电路、滤波电路对数字信号进行处理，最后通过数模转换传输给控制器，通过与设置的阈值比较判断是否发生碰撞[8]。检测流程示意图如图3 所示

图2 视觉碰撞检测

图3 力矩碰撞检测

根据ISO/TS15066 安全监控停止操作要求和静态及动态压力、压强碰撞可接受程度阈值，协作机器人控制器可执行发出警告、机器人改变运动轨迹、停止操作等处理策略[9]。以在保证人员安全的前提下，最大程度维持协作机器人工作稳定性。这对于协作机器人系统应用方面具有重要的安全保障作用。具体安全处理策略见表1。

表1 协作机器人安全处理策略

2.2 灵活性与轻量化方面

协作机器人灵活性主要体现在安装方式和模块化设计两个方面。在安装方式上，由于协作机器人质量轻、体积小可以根据工作场景可以进行置地式、倒挂式、悬臂式等不同安装方式，并且协作机器人内部结构紧凑，传动稳定在不同安装方式下均能满足工作精度要求。

在运动范围上，协作机器人的灵活性主要体现在采用模块化设计。模块化机器人经历了较长时间的技术变革，已经较为成熟，内部采用谐波减速器、编码器、驱动电路板一体化设计，这使得每个关节都具有独立的运动范围[10]。本文通过对模块化机器人的硬件设计、模块组合进行研究，分析协作机器人灵活性技术特点。协作机器人在驱动方式上协作机器人采用伺服驱动电路控制的中空直流伺服电机驱动，质量较轻，接受指令反应时间短，变速、变向迅速。在模块组合上采用输出法兰、连杆、输入法兰进行螺栓联接可以组成可变自由度的机械臂，满足不同工作环境下的需要[11]。以遨博六轴机器人为例，每个关节都具有±175°的运动范围，最大运动速度可达180°/s图4 为协作机器人的关节运动示意图及空间运动范围，可见模块化设计使得协作机器人相对于传统工业机器人关节灵活性和运动范围更大。

轻量化的设计主要体现在结构紧凑和材质轻便两方面，在结构设计方面上文有过论述，机械臂材质上的改变使得协作机器人在应用成本可以大大降低，同时在应用场景上也更加广泛。LBR ii WA 协作机器人使用铝合金作为机械臂的主要构成材料，不仅减轻了机械臂的重量，同时提升了机械臂的强度。YUMI 协作机器人机械臂则是使用镁合金，镁合金在密度上远小于钢铁材料，在强度上表现也比较出色，可以满足协作机器人工作环境的应用要求[12]。在2017 年中科新松有限公司开发的一款工业用协作机器人，采用巴斯夫新型合成材料，这种材料相比于金属材料密度更小，同时还有耐腐蚀、抗磨损的特点，使得协作机器人在轻量化方面更具优势[13]。

2.3 操作与编程方面

工业机器人在实际应用中，程序的编写与调试比较费时，时间生产成本增加。协作机器人相对于传统工业机器人在示教编程方面采用更加便捷的拖动示教，即拖动机械臂机器人即可实时记录运动轨迹点参数。示教器界面也采用更加简洁的图形化界面，指令和按钮都更加直观，降低了生产技术人员对于协作机器人的操作要求。

在操作与编程方面，协作机器人示教器基于Ubuntu 操作系统开发，将程序编写方式进行优化，通过点击某一类型指令即可放入程序显示逻辑架构中，通过点击逻辑架构中的某一指令即可修改参数，程序逻辑更加清晰直观。同时对逻辑框架中的指令编辑也更加方便，增加移动、复制、粘贴功能，对逻辑框架内任意位置指令进行调整、优化。协作机器人示教器还增加机械臂仿真显示模块，在运行机械臂前可以通过仿真运行检验程序的正确性[14]。在编程方面协作机器人与工业机器人最大的区别在于，协作机器人可以获取被引导的机械臂的运动参数生成机器人运动轨迹控制程序，完成被引导动作的调用和复现。被引导运动参数及轨迹生成控制程序流程图如图4 所示。

图4 被引导运动参数及轨迹生成控制程序流程图

3 协作机器人发展及应用趋势

针对目前的协作机器人在不同于工业机器人关键技术上改进的特点，分析协作机器人在一些典型应用上现状，包括基于协作机器人安全性与稳定性方面开发的康复理疗机器人、基于灵活性与轻量化方面的餐饮行业应用、基于操作与编程方面的车间运载机器人发展，简单论述协作机器人的优势与不足以及未来的发展趋势。

2020 年9 月，在遨博新品发布会推出一款联合秀域科技健康开发的按摩理疗机器人。作为工作对象为人体的机器人，保证人身安全是工作的前提。该款机器人具有灵敏的力控反馈系统，当与人体接触力超过人体承受安全阈值时机器人会触发安全保护机制。同时基于灵敏的力矩控制传感器，在进行按摩的时候更加准确的控制按摩力道。该款机器人还配备视觉系统，便于更加准确的找准按摩位置。但按摩机器人无法智能区分人体不同位置对于力承受等级的区别。其次，在按摩时用户姿态调整过程中很容易触发保护机制，造成机器人的意外停止。

基于协作机器人轻量化和灵活的机械臂，协作机器人逐步应用到餐饮行业。协作机器人紧凑的结构和模块化设计，使得它非常灵活和柔顺，可以顺利的完成做菜需要的动作。规范化的操作保证餐品的味道，同时隔绝人员的接触更加卫生。协作机器人在餐饮行业的应用上仍有很多不足之处，模块化的设计使得关节运动中产生的热量难以及时散发出去。协作机器人材质面对厨房复杂的酸、盐、湿环境难以保证正常的工作寿命。

随着工厂自动化改造，生产线上对于机械臂的应用也逐渐增加，应用方式也更加灵活，安装在生产工位、或者搭载于AGV，完成生产装配和物料搬运，协作机器人具有质量轻、安装方便等特点，符合此类要求。基于协作机器人外力引导编程技术，只需拖动机械臂运动相应的工作轨迹即可，有利于协作机器人在工厂生产中使用。但不足之处在于，外力牵引下机械臂的运动速度和轨迹不够流畅，尤其是面对装配精度较高的工作场合时，可能难以满足工作要求。

根据目前协作机器人应用上的不足和机器人相关技术发展，协作机器人未来发展主要集中于以下方面：

（1）智能化。协作机器人在未来发展过程中将融入多种感知技术于一体，提升机器人环境信息识别和自主决策的智能化，同时协作机器人还将与计算机控制技术和互联网技术进行融合，使处在不同区域的协作机器人之间建立信息交换，共同完成工作任务[15]。

（2）多元化。模块化设计进一步优化，内部轴承和电机设计中增加机械臂内部通风散热和热传导机构等散热设计[16]。同时碳钎维复合材料、3D 打印材料等新型材料，协作机器人在未来社会服务中可以发挥更多的作用，推动机器人在各个领域应用的技术发展，为协作机器人的多元化应用提供了更多思路。

（3）便捷化。外力引导编程是协作机器人编程的一大优势，但是由于不能很好的控制引导编程轨迹的流畅性和稳定性，使得这一优势无法很好的运用到实际工作中，随着计算机技术和智能算法在协作机器人中应用，可以实现对编程轨迹自动优化。同时协作机器人在产业应用上还可以扩展外部视觉引导、智能柔性手抓等，提高抓取准确率和装配准确性，使得协作机器人的入门要求降低，使用更加便捷。

随着其他传感器技术、互联网技术、大数据技术、深度学习等技术的不断发展，将进一步提高协作机器人的安全性和智能性，进而推动协作机器人在更多领域的应用。