“輕型臂WEE”引領(lǐng)中國(guó)協(xié)作機(jī)器人新紀(jì)元

◎文/凌 莉

“輕型臂WEE”引領(lǐng)中國(guó)協(xié)作機(jī)器人新紀(jì)元

◎文/凌 莉

跟跑了數(shù)十年的中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，近來(lái)涌現(xiàn)出了一些令人欣喜的新變化。

不久前亮相國(guó)內(nèi)多個(gè)展會(huì)、由我國(guó)自主研發(fā)的“輕型臂WEE”，成功吸引眾多觀眾和行業(yè)專家駐足。這是國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域繼KUKA、UR、Rethink之后，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)具有人機(jī)共存機(jī)制的新型輕型雙臂機(jī)器人，同時(shí)也是世界上首創(chuàng)的高帶寬、輕型、節(jié)能工業(yè)機(jī)器人。

它的出現(xiàn)，或?qū)㈩A(yù)示和引領(lǐng)我國(guó)人機(jī)協(xié)作機(jī)器人新紀(jì)元的到來(lái)。

1954年設(shè)計(jì)、1962年投入使用，第一代機(jī)器人誕生至今，已過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)。盡管2013年以來(lái)中國(guó)已成為應(yīng)用機(jī)器人最多的國(guó)家。但令人遺憾的是，全球主要機(jī)器人廠商中，始終不見(jiàn)中國(guó)企業(yè)的身影。

“輕型臂WEE”的登場(chǎng)，激發(fā)了國(guó)人對(duì)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)新的憧憬。

“驚艷亮相”國(guó)內(nèi)各大展會(huì)

“由于忙著準(zhǔn)備參展，我們幾乎幾個(gè)晚上都沒(méi)能好好合眼?！被貞浧鸫饲皵y“輕型臂WEE”趕赴各大展會(huì)參展的經(jīng)歷，研究組成員們依舊難掩當(dāng)初的興奮之情。

2015年底，由北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)智能機(jī)械系統(tǒng)及應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)高精尖中心研制的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人“WEE”先后在上海工博會(huì)、深圳高交會(huì)、北京世界機(jī)器人博覽會(huì)上參展亮相，表現(xiàn)搶眼。

據(jù)了解，這款輕型臂不僅擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而且還達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。它由鏡面對(duì)稱的雙臂和軀干組成。每一條手臂有7個(gè)關(guān)節(jié)，也可以使用單臂系統(tǒng)進(jìn)行操作。與現(xiàn)有的各國(guó)工業(yè)機(jī)器人不同的是，“輕型臂WEE”采用了全方位動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，并融入了力控制模式、力保護(hù)模式和視覺(jué)跟蹤模式。這使其可以以很高的精度跟蹤復(fù)雜的軌跡（例如直角），完成復(fù)雜的接觸操作，同時(shí)與人類安全地協(xié)同工作，并自動(dòng)識(shí)別和跟蹤目標(biāo)。

北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)智能機(jī)械系統(tǒng)及應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任、國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專家劉立教授表示，“輕型臂WEE”作為新一代通用機(jī)器人，原則上可以替代所有傳統(tǒng)機(jī)器人的操作，在醫(yī)療、工業(yè)、服務(wù)和家庭等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

另?yè)?jù)該產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)的梁文淵博士介紹，目前人機(jī)協(xié)作機(jī)器人代表了世界機(jī)器人發(fā)展新的主流方向，也是國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)能否贏得世界機(jī)器人舞臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)?！拜p型臂WEE”是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)具有人機(jī)共存機(jī)制的新型輕型雙臂機(jī)器人。而且其負(fù)載自重比、核心控制技術(shù)和策略等，均領(lǐng)先于國(guó)際同類產(chǎn)品或處于國(guó)際領(lǐng)先水平。它是真正意義上的國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上第一臺(tái)高帶寬、輕型、節(jié)能工業(yè)機(jī)器人。

“內(nèi)在”軟實(shí)力鑄就出色“外在”硬實(shí)力

一臺(tái)雙臂機(jī)器人用靈巧雙手折紙飛機(jī)的畫(huà)面，日前通過(guò)媒體被廣泛傳播。這個(gè)在各大展會(huì)上極具人氣的“主人公”就是ABB的工業(yè)機(jī)器人YuMi。目前，ABB、安川、庫(kù)卡、發(fā)那科四大國(guó)際機(jī)器人巨頭紛紛在人機(jī)協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域搶灘布點(diǎn)。

令人欣慰的是，在這一前沿領(lǐng)域如今也出現(xiàn)了中國(guó)的身影。

據(jù)介紹，與同類產(chǎn)品比較，“輕型臂WEE”的創(chuàng)新體系主要包含以下內(nèi)涵：

——高負(fù)載自重比和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)同類產(chǎn)品（包括KUKA、ABB、UR等知名機(jī)器人公司產(chǎn)品）目前國(guó)際上公開(kāi)的數(shù)據(jù)，“輕型臂WEE”具有世界上最高的負(fù)載自重比，可以達(dá)到1:2以上。這有利于提升機(jī)器人的能源利用效率、操作速度等，并減少占地空間。

此外，輕型臂具有緊湊的、獨(dú)立的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同于其他公司產(chǎn)品，是最接近于人體手臂的輕型臂。

——先進(jìn)的全方位動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制方法。“輕型臂WEE”，可以實(shí)時(shí)在線辨識(shí)，動(dòng)態(tài)地全方位地補(bǔ)償機(jī)器人動(dòng)力學(xué)。基于此控制方法，它可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)精度。

——完整的力控制策略運(yùn)用。“輕型臂WEE”采用了力控制策略，可以實(shí)現(xiàn)多種力控制模式，而目前的工業(yè)機(jī)器人往往不具備力控制方法。通過(guò)采用完整的力控制策略，“輕型臂WEE”除了在自由空間運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度，同時(shí)在與人或者與工件接觸模式下同樣可以做到高柔順性。

——先進(jìn)的智能人機(jī)界面?！拜p型臂WEE”具有更簡(jiǎn)單、更智能的操作方式，使用者通過(guò)簡(jiǎn)單的手動(dòng)示教即可完成機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)。這不僅能提升工廠效率，還能在給人類帶來(lái)方便的同時(shí)，讓機(jī)器人完成更復(fù)雜、更精確的任務(wù)。

這些“內(nèi)在”的軟實(shí)力，鑄就了“輕型臂WEE”出色的“外在”硬實(shí)力：

——與目前市場(chǎng)上的工業(yè)機(jī)械臂相比，對(duì)于相同的負(fù)載能力，“輕型臂WEE”自重約為當(dāng)代工業(yè)臂的10%-30%，這是世界機(jī)器人輕型化之路上的一個(gè)重要進(jìn)步。

——高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度，其靜態(tài)精度可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)定位0.05mm，動(dòng)態(tài)精度可以達(dá)到0.1mm，均屬于國(guó)際領(lǐng)先水平，因此它更能適應(yīng)高精密組裝、手術(shù)等對(duì)精度要求高的工作。

——它的末端可通過(guò)編程以呈現(xiàn)用戶規(guī)定的剛度；可根據(jù)末端點(diǎn)力/力矩信息反饋，糾正接觸操作時(shí)的位置誤差；另外，“輕型臂WEE”末端可在平面滑動(dòng)，末端點(diǎn)與平面的作用力可由用戶指定。這樣一來(lái)“輕型臂WEE”將具備更高的靈巧度，并為人機(jī)協(xié)作創(chuàng)造了空間。

——視覺(jué)相機(jī)可按用戶需要安裝在不同的位置，實(shí)現(xiàn)輕型臂視覺(jué)伺服控制。視覺(jué)伺服控制是以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制為目的而進(jìn)行圖像的自動(dòng)獲取與分析，將引導(dǎo)機(jī)器人適應(yīng)柔性制造，使生產(chǎn)線更容易適應(yīng)產(chǎn)品的變化。

——與人在同一工作環(huán)境實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)操作；與工業(yè)機(jī)械臂相比，可安裝在在狹小空間。占地空間小，對(duì)于中小企業(yè)降低應(yīng)用成本事實(shí)上具有非常重要的意義。

引領(lǐng)人機(jī)協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用新潮流

除了技術(shù)上的突破，“輕型臂WEE”的橫空出世，對(duì)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)而言，還具有戰(zhàn)略層面的意義——引領(lǐng)人機(jī)協(xié)作機(jī)器人潮流，并為之提供技術(shù)支撐。

“機(jī)器換人”重塑中國(guó)制造，曾一度成為許多人的共識(shí)。一些省市還專門出臺(tái)了行動(dòng)計(jì)劃，如廣東東莞市印發(fā)的《推進(jìn)企業(yè)“機(jī)器換人”行動(dòng)計(jì)劃（2014-2016）》。2015年這里還建成了我國(guó)首家“無(wú)人工廠”。但隨著時(shí)間的推移，人們漸漸認(rèn)識(shí)到單純的“機(jī)器換人”尚有諸多局限。

例如，富士康曾宣稱要在2014年底完成“百萬(wàn)機(jī)器人”計(jì)劃，然而至今其機(jī)器人使用數(shù)量也僅在十萬(wàn)左右，距當(dāng)初擬定的目標(biāo)相差巨大。一個(gè)重要的原因，就是冰冷的機(jī)器人對(duì)3C產(chǎn)業(yè)中復(fù)雜的零配件適應(yīng)性不強(qiáng)，一旦出現(xiàn)次品，整條機(jī)器人生產(chǎn)線都將被迫停車并需要技術(shù)工人進(jìn)行問(wèn)題查找和參數(shù)調(diào)整，機(jī)器人反而不如傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)工人靈活。

“這正是由于機(jī)器人缺乏與工人互動(dòng)、協(xié)作的必要手段造成的?！眲⒘⒄f(shuō)。

按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義，“人機(jī)協(xié)作”簡(jiǎn)單來(lái)講，就是機(jī)器人從事精度和重復(fù)高性高的作業(yè)流程，工人在其輔助下進(jìn)行創(chuàng)意性工作。

據(jù)劉立教授介紹，協(xié)作機(jī)器人與發(fā)展許久的工業(yè)機(jī)器人相比，擁有諸多比較優(yōu)勢(shì)，如輕巧、安全、性價(jià)比高、靈活性高、友善的操作接口，和人機(jī)協(xié)作等特色。

首先，輕巧的協(xié)作機(jī)器人，對(duì)于空間的需求也大幅降低，可為企業(yè)減少許多安裝和廠房成本。

其次，它的性價(jià)比高，成本回收時(shí)間更短。

再者，在安全性方面，過(guò)去工業(yè)機(jī)器人工作場(chǎng)所噪音較大，并且需要用圍欄隔離，每年都會(huì)有工人因?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)行誤傷的情況。而“人機(jī)協(xié)作”機(jī)器人功耗低，不易對(duì)人產(chǎn)生傷害，可以和人一起完成一些輕量化的工作。

另外，工業(yè)機(jī)器人長(zhǎng)期以來(lái)主要運(yùn)用在汽車產(chǎn)業(yè)，一般都是體型大、移動(dòng)范圍大、重型的機(jī)器人，而新興的消費(fèi)級(jí)電子行業(yè)，工序輕量化、小型化、精細(xì)化。這對(duì)機(jī)器人的柔性提出了新的要求，協(xié)作機(jī)器人的誕生正好適應(yīng)了這種需求。

劉立補(bǔ)充說(shuō)，“還有特別值得一提的一點(diǎn)是，目前完成或者正在進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)線更新的，主要是一些有實(shí)力的大企業(yè)，‘機(jī)器換人’投資巨大，中小企業(yè)往往只能望洋興嘆。協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)，為原本止步于自動(dòng)化生產(chǎn)的中小型企業(yè)創(chuàng)造了新的機(jī)遇?！?/p>

如今，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已逐漸由粗放式發(fā)展走向智能化階段。市場(chǎng)人士認(rèn)為，在智能化大旗下，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展進(jìn)入2.0時(shí)代，人機(jī)協(xié)作、人機(jī)共融成為新主題，協(xié)作機(jī)器人將搶占先機(jī)，2016年有望成為協(xié)作機(jī)器人元年。

“輕型臂WEE”在探索符合中國(guó)國(guó)情的“人機(jī)協(xié)作”之路上可能起到的歷史作用，我們將拭目以待。

憑借原創(chuàng)性研究實(shí)現(xiàn)“彎道超車”

回顧歷史，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過(guò)了“七五”、“八五”、“九五” 攻關(guān)和國(guó)家“863”計(jì)劃支持，經(jīng)歷了理論研究、樣機(jī)研發(fā)、示范應(yīng)用和初步產(chǎn)業(yè)化四個(gè)階段。但在總體技術(shù)水平上，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人研發(fā)方面始終是跟跑者。

如果幾年之后，我們不想再聽(tīng)到那句陳詞濫調(diào)——中國(guó)是機(jī)器人大國(guó)，但不是機(jī)器人強(qiáng)國(guó)，“我們就必須另辟蹊徑，選擇新的技術(shù)路徑?！眲⒘⒄f(shuō)。他強(qiáng)調(diào)，唯有做原創(chuàng)性的研究，跳出跨國(guó)公司的技術(shù)壟斷，中國(guó)才有可能后來(lái)居上實(shí)現(xiàn)“彎道超車”。

據(jù)了解，“輕型臂WEE”核心技術(shù)都屬于原創(chuàng)技術(shù)。它的控制理念、技術(shù)策略甚至優(yōu)于西方。

在劉立帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)打造第二代機(jī)器人的過(guò)程中，他們始終追尋著三個(gè)明確的指標(biāo)或說(shuō)特征，即輕型化、高帶寬和高效節(jié)能。

第一，要做輕型機(jī)器人。劉立介紹說(shuō)，目前傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，為了保證其固有頻率，使用都是鑄鋼或者鑄鋁的機(jī)座。這樣帶來(lái)的弊端，是機(jī)械臂的負(fù)載不夠?qū)嵱?，相?dāng)于一個(gè)巨人卻拿著一點(diǎn)點(diǎn)東西。他希望制造出負(fù)載自重比1∶2甚至1∶1的輕型臂，做世界第一。顯然，他們階段性目標(biāo)已充分實(shí)現(xiàn)。

第二，解決帶寬問(wèn)題，提升機(jī)器人的反應(yīng)速度。就控制領(lǐng)域而言，機(jī)器人反應(yīng)快慢主要取決于帶寬。比如說(shuō)，如果有人給機(jī)器人實(shí)施一個(gè)外在干擾，比如插拔產(chǎn)生的一些誤差，想要讓機(jī)器人自己很快地校正過(guò)來(lái)，就需要有很高的帶寬。

第三，節(jié)能。劉立表示，日本有一款叫阿西木的機(jī)器人，以同樣的速度在單位時(shí)間內(nèi)行走，其能耗是人的15倍，而行走機(jī)理上的弊端是導(dǎo)致其能耗過(guò)高的重要原因。他說(shuō)，阿西木每一個(gè)關(guān)節(jié)上都有一個(gè)電機(jī)，這樣一來(lái)耗能就會(huì)較高，如果機(jī)器人走斜坡時(shí)，主要依靠自身的重力“拽著”自己走下來(lái)，那么消耗的能量就會(huì)和人差不多，也就能大大節(jié)省能量。

從“輕型臂WEE”最新的進(jìn)展來(lái)看，劉立教授在“理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”的路上，顯然已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

“瑞士ABB、日本安川、德國(guó)庫(kù)卡和日本發(fā)那科四大機(jī)器人企業(yè)如今都已全面進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，意大利、美國(guó)、韓國(guó)的機(jī)器人及配套企業(yè)也已經(jīng)布局中國(guó)主要地區(qū)。中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已漸成被包圍之勢(shì)，出路只有自主創(chuàng)新，而且步伐必須要快，時(shí)不我待！”面對(duì)當(dāng)前我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)總體形勢(shì)，劉立教授心中不無(wú)焦慮。

馬不停蹄繼續(xù)“輕型臂WEE”產(chǎn)業(yè)化的逐夢(mèng)之旅

劉立教授投身機(jī)器人領(lǐng)域，是從1984年在加拿大讀博士時(shí)開(kāi)始的。1986年，博士畢業(yè)之前，他參加完機(jī)器人國(guó)際會(huì)議，看到蓬勃的發(fā)展形勢(shì)，內(nèi)心非常激動(dòng)，于是回到學(xué)校試著開(kāi)設(shè)了第一門機(jī)器人課程。后來(lái)，這門課程在行業(yè)內(nèi)廣為人知。

作為“第一個(gè)吃螃蟹的人”，劉立也是首次將自適應(yīng)控制理論應(yīng)用到機(jī)器人身上的科學(xué)家。目前，世界公認(rèn)的對(duì)此項(xiàng)研究進(jìn)行闡述的首篇論文，就出自他手。1987年，他在加拿大麥克馬斯特大學(xué)取得博士學(xué)位后，又進(jìn)行了一段時(shí)間的博士后研究，隨后加入了加拿大如今的MDA公司，并參與到國(guó)際空間站機(jī)器人系統(tǒng)早期的概念設(shè)計(jì)。他是這家企業(yè)第一個(gè)來(lái)自中國(guó)大陸的主設(shè)計(jì)師，而MDA則是世界機(jī)械臂研究制造領(lǐng)域的佼佼者，在行業(yè)內(nèi)享有聲譽(yù)。

在國(guó)外的20多年時(shí)間里，他還在醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域開(kāi)展了一些卓有成效的研究。

正如老話所說(shuō)，“科學(xué)無(wú)國(guó)界，但科學(xué)家有自己的祖國(guó)”。作為業(yè)內(nèi)非常著名的科學(xué)家，劉立在國(guó)外的事業(yè)、生活應(yīng)該說(shuō)都很順利。然而，在祖國(guó)的召喚下，他還是毅然地回到了國(guó)內(nèi)，立志開(kāi)創(chuàng)中國(guó)自己的機(jī)器人事業(yè)。

國(guó)內(nèi)欣欣向榮的經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展形勢(shì)，以及政府對(duì)科學(xué)研究的支持力度，也令他倍感欣慰。

當(dāng)前，中國(guó)是世界上最大的機(jī)器人市場(chǎng)，并且還有很大的空間。只是，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新弱、產(chǎn)業(yè)相對(duì)小、競(jìng)爭(zhēng)能力差——力爭(zhēng)在下一代機(jī)器人全面來(lái)臨之前形成技術(shù)壁壘，占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，劉立深知，我們的科學(xué)家還有很多的工作要做，而且形勢(shì)緊迫。

千里之行，始于足下。逐步明確技術(shù)路徑細(xì)節(jié)、構(gòu)建核心團(tuán)隊(duì)、打造科研硬條件……回國(guó)以后，劉立的各項(xiàng)工作漸次展開(kāi)。如今，隨著“輕型臂WEE”的成功研發(fā)，他又馬不停蹄地奔向了一段新的逐夢(mèng)之旅，就是“輕型臂WEE”的產(chǎn)業(yè)化推廣。

劉 立

博士，特聘教授

國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專家

北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)智能機(jī)械系統(tǒng)及應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任

長(zhǎng)期致力于空間機(jī)器人的研制，在機(jī)器人控制，高可信度仿真，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成及測(cè)試等領(lǐng)域具有豐富的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。作為美國(guó)和加拿大宇航局空間機(jī)器人顧問(wèn)，曾先后擔(dān)任哈勃維修機(jī)器人飛船控制系統(tǒng)和視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師，加拿大國(guó)際空間站靈巧機(jī)械臂控制與仿真開(kāi)發(fā)項(xiàng)目和空間操作項(xiàng)目的技術(shù)負(fù)責(zé)人，其開(kāi)發(fā)的算法成為NASA和加拿大宇航局的標(biāo)準(zhǔn)飛行控制軟件。同時(shí)，劉立博士也是哥達(dá)德宇航中心哈勃望遠(yuǎn)鏡營(yíng)救飛船機(jī)器人演示任務(wù)的領(lǐng)導(dǎo)者之一和IEEE機(jī)器人分會(huì)和控制分會(huì)資深成員，曾在IEEE及其他國(guó)際雜志和會(huì)議發(fā)表論文50篇。

梁文淵

博士

出生于1984年

福建上杭縣人

現(xiàn)在北京大學(xué)工學(xué)院做博士后研究

本科畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)，并于2012年在該校獲得博士學(xué)位，2010年被公派至日本國(guó)立鹿兒島大學(xué)做客座研究員，2012年回國(guó)，2013年進(jìn)入現(xiàn)在的北京大學(xué)工學(xué)院。

主要研究領(lǐng)域包括：機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人控制、下一代通用機(jī)器人、家庭服務(wù)娛樂(lè)機(jī)器人、助力康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人、仿人機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)構(gòu)、傳感器技術(shù)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論等。

他是“輕型臂WEE”項(xiàng)目承擔(dān)和主要參與者，也曾參與“十一五”863服務(wù)機(jī)器人重點(diǎn)項(xiàng)目、“十一五”863探索導(dǎo)向項(xiàng)目，并取得多項(xiàng)原創(chuàng)成果，目前擁有5項(xiàng)專利。