協作機器人的研究現狀與技術發展分析

王家鵬

摘 要：隨著智能技術的快速發展，協作機器人被廣泛應用在各領域生產經營建設過程中，為從根本上提升安全效益、經濟效益及服務效益奠定了堅實的技術基礎。本文就基于此，以協作機器人研究現狀為切入點，就如何加快協作機器人技術發展進程進行相關概述，旨在充分發揮出協作機器人的積極作用。

關鍵詞：協作機器人;研究現狀;技術發展

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0024-02

0 引言

就目前來看，協作機器人是當前工業機器人研究重點課題，協作機器人的智能化、互動性功能也將會成為提升工業生產建設管理水平的關鍵所在。據相關研究人員分析，在二十一世紀，協作機器人市場將會呈現出迅猛發展趨勢。同時，協作機器人將依據不同工作需求及運行環境特征，進入更具協同性的工作狀態。與其它國家相比，我國在協作機器人方面的研究起步稍晚，實踐經驗不足，需基于各領域對協作機器人提出的要求，對協作機器人功能性及安全性等方面進行完善及優化，充分發揮出協作機器人在提升各領域綜合效益期間的積極作用。

1 協作機器人理論研究

1.1 協作機器人概念

從廣義上來講，協作機器人主要就是與人類共同工作空間具有近距離互動機器人。現階段部分工業類機器人均會受到自動作業設計及導引下作業設計的局限，與人類共同工作的距離較遠，相關安全防護功能較為缺失[1]。而協作機器人就是將人類共同工作需求轉換為機器人自身應用機能，確保機器人能夠在提升生產效益及經濟效益的過程中發揮出重要的作用。

1.2 協作機器人發展歷程

協作機器人概念首次提出于二十世紀九十年代提出，當時通用汽車基金會為實現生產項目的高質高效生產目標，試圖從根本上提升當時生產機器人的應用安全性，確保機器人能夠與員工實現良好的協同合作。第一臺協作機器人的研發工作由麻省理工學院接手，當時獲得了國家及有關部門的高度關注。經過年研究，初代協作機器人在美國航天局首次公開。隨著協作機器人研究工作的不斷深入，德國聯邦科教部又試圖將協作機器人朝向智能化轉行，為增強協同機器人研發工作的經濟效益及服務效益奠定了堅實技術發展。

2006年，日本一家電機公司將所研發出的輕型機械臂引入到歐洲市場，與主流協作機器人的功能及結構無明顯差別，但就協作機器人的根本研發目標而言，依然存在一些差距[2]。具體而言，輕型機械臂僅能夠實現多機器人協作工作目標，無法從根本上保障與人類處于共同工作空間的安全性。

2008年，第一臺真正意義上的協作機器人被首次研發出來，徹底打開了協作機器人的市場大門。與協作機器人相關的各類企業數量增多，建設規模不斷擴大，使協作機器人各項功能及實際應用期間的綜合效益得到了極大程度的提升。為更好規范協作機器人市場，國家及有關部門針對協作機器人發展需求及各領域生產建設經營特征，頒布了更加健全的協作機器人生產及研發規定，從根本上提升了協作機器人研發及技術發展期間的有序性及穩定性。

2 多機器人協同及合作

現階段，協作機器人研究重點均放置在多機器人協調問題方面。早在二十世紀八十年代，為從根本上解決協作機器人在合作的情況下無法完成某一共工作，如協同搬運、協同荷載等，其無法對系統及相關合作合作機制，存在運動受限或運行體系鏈條出現斷裂的情況[3]。同時，因協作機器人多以操作物體期間的閉鏈系統，會存在運行受限、冗余度控制問題等，需相關工作人員建立起系統組織及合作機制控制體系。同時，通過在控制器內輸入相關指令，確保對各協作機器人運行情況的協同控制。

在協作機器人多機器人系統研發過程中，還應解決多機器人合作及組織機器人完成某項任務等問題，通過明確各項機制及運行任務，確保機器人與機器人之間保持一種更具協同性的運行關系。在實際設計過程中，多機器人合作不僅是將一定數量的機器人在同一工作空間啟動，更是對協作機器人的控制，確保相關控制系統能夠及時發現與解決協作機器人在實際運行期間存在的問題。同時，支撐協作機器人實現同步在線運算，更好控制協作機器人自身動作及運行頻率，切實提升協作機器人工作期間期間的質量及效率。在協作機器人技術發展過程中，相關工組人員還應依據運行環境及任務的具體需求，對協作機器人系統內組織及控制，以便更好實現協作機器人在多機器人協同合作上的目標。

3 協作機器人核心零部件研究

在協作機器人核心零部件設計及研發過程中，需注重輕量化設計原則，要求協作機器人核心零部件具有高度的集成化，要求在傳統機器人零部件生產技術的基礎上對其結構及具體結構性能進行不斷完善及優化。

在協作機器人中，電機可直接影響到機器人實際運行質量及效率，應在傳統交流伺服系統基礎上，對電機的可選范圍進行不斷完善。同時，結合各領域實際生產建設需求，對單一的科爾摩根產品功能及各項性能進行進一步優化。

注重對協作機器人安全控制裝置的設計及研發，雖然現階段協作機器人市場安全控制裝置的種類及數量較多，但實際安裝成本更大，類似于諧波減速裝置及伺服驅動昂裝置難以更好滿足協作機器人運行需求[4]。因此為更好實現協作機器人大規模應用及研發目標，相關工作人員應對協作機器人安全控制器進行科學規范設計，確保協作機器人后期運行質量及效率能夠滿足各領域生產建設需求。

4 協作機器人研究現狀

2015年，我國首次將協作機器人研發與技術發展工作列為重要研究方向，通過全方位動態補償控制方式、力控制及策略及完善的人機交互界面等，對協作機器人的各項功能及運行特征進行不斷完善及優化。同時，與傳統機器人相比，協作機器人融合了更加先進的高帶寬、節能型技術。相較于其它國家協作機器人的研究及技術發展而言，我國協作機器人成品化及市場化起步較晚，實際積累經驗不足，導致協作機器人在各領域生產經營管理方面的應用范圍較為狹窄。同時，為根本上增強協作機器人經濟適用性，相關研究部門又將研究重點放置控制協作機器人投入成本，提升協作機器人生產期間的安全性及靈活性等方面，切實降低協作機器人運行故障風險，使其被更好的應用在各生產環節中。

5 協作機器人研究要點

5.1 群體體系

在協作機器人研究過程中，相關工作人員應將實際研究對象放置在協作機器人的群體研究體系上，通過劃分協作機器人各項功能及結構特征，為協作機器人的完善及優化提供重要理論依據[5]。在協作機器人群體構建過程中，其結構類型多為分布式，同時對智能體的相對控制為平等。同時，在協作機器人群體體系結構的設計過程中，還會存在同構及異構問題。具體來說，同構群體模式下的協作機器人主要功能及機能基本相同，而異構群體模式雖然具有一定的普遍性，但實際運行期間所面臨的風險因素更多，需依照實際運行任務及協作機器人個體運行需求判斷異構主要分布特征。

5.2 通信體系

為更好實現機器人與人類共處于同一工作空間的目標，應確保協作機器人能夠實現系統動態運行目標。當前大部分協作機器人均沒有實現無通信合作目標，需借助直接型及廣播型通信體系，更好制定出解決協作機器人合作問題的解決方案[6]。隨著計算機技術的快速發展，分布式信息處理系統被防范的應用在實際生產建設過程中，而協作機器人作為分布式控制系統中的重要組成部分，其在進行數據處理及信息共享的過程中也需依賴通信系統獲取信息，在協作機器人數量增多的情況下，其自身運行負擔將會明顯增大，因此在不斷完善及優化協作機器人過程中，需要確保協作機器人能夠適應通信機制，又要確保協作機器人能夠保持對周邊環境的感知及理解能力，確保協作機器人能夠與人類實現良好的信息交流及合作。

5.3 感知及學習

在協作機器人實際運行期間，感知及學習也是機器人與人類的交互動作形式。其中，合作機器人均具有各自傳感系統，對傳感系統的高效利用可直接反應出協作機器人運行水平。因此需相關工作人員通過對協作機器人參數數值的的控制，從根本上提升協作機器人實際工作期間的專業性及靈活行，確保協作機器人能夠更好滿足各領域生產建設要求。

5.4 建模及規劃

針對與人類共處同一工作空間的行為、狀態及意圖需求，充分發揮出協作機器人在促進機器人與其它智能體協同合作的積極作用。在智能體使用建模能力的過程中，對通訊系統的依賴程度也會從根本上降低。同時，針對協作機器人合作動態組織性及環境變化性的功能需求，針對協作機器人不同協作對象，明確機器人自身動態自組織及環境變化重組特征[7]。借助全局控制理念，對協作機器人的智能動作級別進行全局劃分，確保協作機器人系統及各項功能能夠更好滿足相關專業領域的生產建設需求。

5.5 安全功能

在協作機器人研發及技術設計過程中，應注重提升機器人自身的安全機能，確保協作機器人能夠自行解決死鎖及避碰等問題。具體而言，在協作機器人實際運行期間，會出現各項資源沖突問題，如沒有相應的解決措施，就極有可能出現運行停止的現象。因此為確保協作機器人穩定有序運行，相關工作人員應從機械人內部通信及傳感設備的優化入手，對機器人自檢功能進行不斷完善。

5.6 合作功能

為充分發揮出協作機器人實際運行期間的積極作用，需相關研究部門應從的實現自發地合作目標的方面入手。現階段多機器人及人機協同合同勢必要開展多地自主研發[8]。現階段協作機器人生產研發期間的合作工作分為純社會行為及協作行為，其中，協作行為是智能協作交互后的現象，屬于更距主觀性的合作行為，從而尋求多方經濟利益最大化目標。因此在協作機器人研發及技術發展過程中，通過建立起更加完善的多部門協同關系，能夠更好提升實際生產建設效率，從根本上推動協作機器人市場可持續發展進程。

6 結語

總而言之，協作機器人的研究及技術發展工作依然任重道遠，在協作機器人實際研究推廣的程中，生產成本控制難度大、核心元器件無法實現自主研發等問題還在困擾著相關研究部門，需加強協作機器人研究及技術發展管理力度，結合各領域實際生產建設需求，對協作機器人進行不斷完善及優化。同時，積極引進國外先進技術及先進理念，注重協作機器人人才培養，為協作機器人的研究及技術發展工作提供更加充分的人力及物力資源。

參考文獻

[1] 賀軍.變負載雙臂機器人阻抗自適應控制系統研究[D].中國科學技術大學，2016.

[2] 劉洋，孫愷.協作機器人的研究現狀與與技術發展分析[J].北方工業大學學報，2017，29（02）：76-85.

[3] 劉鑫.基于無線自組網的多移動機器人協作控制研究[D].江南大學，2014.

[4] 許玉虎.基于虛擬樣機技術的協作機器人運動學與動力學研究[D].山東農業大學，2017.

[5] 張爽.創客教育視域下中小學機器人教學活動設計研究[D].江南大學，2017.

[6] 林云漢.智能機器人“人—機—環境”交互及系統研究[D].武漢科技大學，2017.

[7] 胡吉耀.危險區域搜救機器人及其人機交互系統研究[D].山東大學，2014.

[8] 余鋒.基于視覺的工業機器人協作裝配方法研究[D].華南理工大學，2012.