協作技術與工業機器人發展

劉永安

（廣州數控設備有限公司，廣東 廣州510530）

0 引言

時代飛速發展，我國工業自動化水平正上升至新的臺階，中國制造2025的國家戰略下，工業機器人扮演著重要的角色。工業機器人最早實現“機器換人”的應用，如沖壓、噴涂、焊接、機床上下料等堆垛搬運，都是危險、繁重、單調的工作，對人類身心有害的作業。目前這些領域的自動化程度已相當普及。這些應用由于節拍要求高，機器人設計初衷都是高剛性、高速度的動作，一般作業時都用圍欄隔開安全區域，人不能靠近，適用于大規模生產的企業。而對于中小企業，特別是小批量生產，工件經常更新換代，場地緊湊，需要人與機器人協同作業時，就需要協作機器人[1]。本文通過探討協作機器人的技術細節，提出我國工業機器人產業現階段需要大力發展協作技術的必要性和發展思路。

1 協作技術的產生及定位

傳統的工業機器人在安全圍欄內作業，在設計上只需考慮高剛性和高速度，這顯然無法滿足進一步的細分市場。一些精密的裝配工作、異型包裝、3C行業、現場多維度檢測、生命科學領域，都要求機器人與人類近距離的協同工作，這就要求機器人本身具有安全性、靈活性、協同性，這個特點表現在機器人高柔性、高感知能力、結構緊湊以及高交互易用性上。

協作機器人的特點通常表現為單臂多軸或雙臂設計，能實現復雜的動作要求[2]。協作機器人本體在內部及末端都使用了大量的傳感器，以使機器人具有高感知能力，應對與人協同工作時產生的各種事件，需要觸發各種不同信號完成不同動作及控制。由于工作區域的限制，設計之始便使協作機器人具有無多余的線條的外觀，整機緊湊、簡潔、輕量化。因為與人互動比較頻繁，使其人機界面有區別傳統示教盒子的特點、操作簡易，并增加拖動技術等引導機器人的方式。

2 工業機器人協作技術的國內外狀況

自1996年協作機器人的概念被提出，協作技術因技術要求和特點受限于時代，發展較緩慢。隨著集成技術、自動化傳感、控制技術等快速發展，協作技術的進步有了支持。2014年之前，工業機器人四大家族將重心放在了量大、大規模企業如汽車工業的市場布局上，并沒有將協作機器人作為主打產品。這給如美國Rethink機器人、丹麥優傲機器人搶占市場提供了一個不容錯失的機會。自2015年ABB推出了首款協作機器人Yumi以來，法拉克協作機器人CR35I、庫卡協作機器人iiwa以及安川協作機器人HC10相繼攪局，四巨頭的進入，市場被重新分配。Rethink機器人宣布倒閉，然而優傲機器人仍然占據著非常可觀的市場份額，目前已賣出27 000臺套的機器人，分布在各個領域，包括汽車工業，這極大的說明了協作機器人的應用前景。

2016年是我國工業機器人生產廠家開始重視協作機器人的元年，因為這年國際標準化組織制定了協作機器人的技術及系統的設計標準：ISO/TS 15066協作型機器人設計標準[3]。到了2018年的上海國際機器人展，展館從以前一個館國內外機器人品牌一起，演變成國內一個館、國外一個館。各種工業機器人本體廠商、集成商如雨后春筍，尤其亮眼的是協作機器人占據的比例增多很多，一些后起之秀直接定位企業為協作機器人生產廠商，專攻協作板塊。

此處引用一個值得注意的數據，來自2018年協作機器人藍皮書[4]。從2014年到2017年間，全球市場中，協作機器人銷量的年均復合增速為69%。按照這個速度，到2020年，全球的協作機器人銷量將達5萬臺，市場規模將突破84億元；其中中國市場銷量將達1.65萬臺，市場規模突破18億元[5]。

3 協作機器人的技術瓶頸

第一，如何在自重較小的設計前提下保證機器人本體的負載剛性，是一大難題。自重如前所述，協作機器人因在設計上必須考慮緊湊、輕量化、易于安裝布局的特點，而且，為了防止誤觸碰，將使用新型的材料代替傳統的鑄鐵。這保證了機器人自重的重要指標，但同時帶來了新的問題，如因為剛度問題無法抓取負載較大的工件，這很大程度上限制了應用的范圍[6]。

第二，眾多非標傳感器的設計集成及控制，極大地影響著協作機器人的結構緊湊與否。同時，為了與作業的人更好地協同工作，真正實現人機共融的作業環境目標，必須在協作機器人本體有限的空間里集成更多的傳感器，以觸發不同的控制信號以反饋到控制系統，實現不同的工作。這勢必產生許多非標結構的傳感器，考驗硬件本身的可靠性。

第三，關節模塊的高集成度決定著協作機器人的本體體積，以及對作業現場的適應能力。關節模塊中集成了減速機、電機、驅動、編碼器等。如何提高制造工藝，保證精度、力矩、功率密度的前提下，盡可能縮小關節模塊的體積是一個很大的瓶頸[7]。目前國外涌現了一些優秀的關節模塊整機方案提供商，如科爾摩根。

第四，提高協作機器人操作人機界面的友好程度，刻不容緩。目前，在協作機器人領域，包括四大機器人家族仍然延用傳統的示教方式的人機界面。顯然，由于協作機器人更強調的是與人的交互，這要求新式的更友好的人機界面，如拖動示教，自主視覺抓取學習等[8]。這幾個方面都是目前協作機器人的技術瓶頸，需要時間攻克。

4 戰略布局協作技術的必要性及發展思路

如果說在工業生產中普及傳統工業機器人是“機器換人”，那么協作機器人將填補無法換人的市場應用空白，使人與機器和諧作業。目前，國外各種創新力量，正在研發各種有自家風格的協作機器人，國內工業機器人生產廠商加速戰略布局協作技術，刻不容緩。除第三點中提到的四大技術瓶頸需要重點研發突破之外，筆者認為要格外注意的是一個生態的建設與利用。上一輪工業機器人的普及速度之快，導致核心零部件、周邊的工裝附件、電氣元器件等都是從無到有，從非標到標準，慢慢摸索花了較長的時間標準化。而協作機器人這次，一定要注意這個生態的建設，站在巨人的肩膀，如協同電機、減速機等廠家一起開發新品；與氣動類的真空發生器、夾具、吸盤廠家研發更易集成的專用模塊，使客戶拿來即用；附件如電纜、快換工具、機器人引導系統、視覺傳感等廠家建立合作關系；最后是仿真軟件、控制器、通訊模塊的標準化及互換性。這些應與自主研發同步進行，否則喪失了市場先機[9]。

5 協作機器人的應用價值與發展前景

協作機器人目前已逐漸在重要領域嶄露頭角。在汽車工業中，協作機器人用來協助拾料、裝配上螺絲、對車架不同部位進行檢驗、涂膠等，其柔性、安全性及容易部署等特點，使協作機器人極易與各崗位工作人員協同工作[10]。在3C行業中，由于人員分布非常密集，屬勞動密集型產業，協作機器人協助完成PCB版精密碼垛、異形元器件裝插、封裝檢驗等應用，幫助企業完成產業自動化升級及產能的質的提高。在塑料成形行業，可高速取放模具、零件等，同時還可進行零件的澆口清理，質量檢驗，使人離開此重復性高、氣味危險的工作環境；在醫療制藥行業，由于對工作車間要求潔凈度高，使用協作機器人非常適合，因為協作機器人結構緊湊，并且具有高防護等級；在點焊噴涂行業，可利用協作機器人易于部署等特點，對工件或工位難以移動、并經常變化的應用，直接部署協作機器人前往現場焊接或噴涂，作業完成再移走機器人，保證人員少接觸這種有害作業；最后，對包裝堆垛行業，協作機器人能充分發揮其編程友好的特點，對貨物進行裝箱、封箱、貼電子標簽并碼垛成可運輸狀態。

在這些具有代表性的工業領域挖掘出新的自動化改造的機會，恰恰說明了協作機器人與傳統工業機器人的質的不同：可與人協同作業、安全、操作更友好地特點。也從側面說明了隨著協作技術的發展，協作機器人已能完成更加精密的拾取、搬運、裝配等精度更高的應用。

這些應用案例可以對比出協作機器人與傳統機器人的優劣，如表1所示。

表1 協作機器人與傳統機器人應用對比

6 結束語

至此，本文已從工業機器人中協作技術的產生及定位進行了闡述，并說明了國內外的技術現狀；通過探討協作技術的瓶頸，提出了戰略布局協作技術的必要性和歷史機遇，并提出了其區別傳統機器人的發展思路。國家戰略里中國制造2025進程的不斷縱深，將加速協作技術在工業機器人里的發展，和汽車工業發展一樣，筆者對我國工業機器人行業做深做細，趕超先進國家技術，充滿信心。