協作機器人控制技術的研究

葉金培 王宏寬 江子杰

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

目前國內用于工業生產的一般都是工業機器人，協作機器人在市場上的占比相對較小，而且協作機器人的應用主要都是單臂的協作機器人?，F在國內做雙臂協作機器人的公司也十分少，真正能夠應該到生產的更少之又少，大多數都停留在研究階段?，F在國內企業關于協作機器人的研究都集中在單臂機器人上，雙臂協作機器人的研究比較少。中國電器科學研究院有限公司業務領域的家電工廠目前自動化程度較低，還需要依靠大量的人工進行家電產品的裝配調試，而且家電產品的裝配也是比較復雜，這也成為家電生產線自動化率低的重要原因之一。所以，研究開發出一款靈活協調的協作機器人是十分有必要的。讓自主開發的雙臂協作機器人導入到我們的家電工廠，部分替代或者完全替代某些人工操作工位，節省人工成本，提高我們家電工廠的自動化率與科技感。

1 國內外現狀

1.1 國外協作機器人發展概況

大數據熱、云計算熱等的崛起使人工智能開始成為工業的主要開發對象，同時，人工智能未來會推動工業機器人相關產業升級換代，人機協作與人機共融引領自動化發展的主流趨勢。隨著人工智能技術的不斷進步，協作機器人成為整個自動化行業的風口。2016年開始，協作機器人在全球的銷量開始呈現爆發式增長。同年，其的銷售量已經突破了1萬臺，同比增長率超過90%。與此同時，協作機器人仍然在剛起步的發展階段，很多廠商都在經歷著產品開發、試錯、優化，再設計，隨著技術路線的不斷變更，使得設計方案也在不斷優化。在新產品、新模式快速更新換代的情況下，使整個協作機器人行業迅速進入優勝劣汰的階段。2017～2019年，從全球協作機器人銷量規模來看，這類產品市場銷量增速明顯放緩。截止至2019年，全球銷量為3萬臺，同比增長36.4%。協作機器人的海外銷售規模表明，全球2019年協作機器人的銷售總額達到50億元，同比增長31.6%[1]。

目前全球協作機器人品牌競爭激烈，目前，丹麥的Universal機器人公司是全球領先的協作機器人生產公司。根據Universal機器人公開的數據，目前全球Universal協作機器人銷售總量累計已突破3.7萬臺，市場占有率居該領域的市場首位。不過，隨著ABB、Kuka、FANUC、Yaskawa等傳統工業機器人企業開始進行協作機器人的相關開發，此類市場的競爭變得越發的激烈。

1.2 國內協作機器人發展概況

由于中國老齡化問題的出現，適齡勞動人口的數量不斷減少，使得人力方面的成本大幅度提升，國內勞動密集型的企業越來越傾向于選擇機器人來替代重復的勞動力。智能協作機器人與工業機器人相比，其優勢在于協作機器人具有使用成本低、整體重量輕、安全等級高等特點。對此，勞動力結構的加快調整會提高對協作機器人的相關市場需求。并且，隨著我國產業結構轉型，傳統制造業與自動化控制、人工智能等新型技術相互結合，勞動密集型企業對智能制造、無人工廠、信息化等先進技術也表現出十分的渴求。目前根據協作機器人的影響力，機器人能夠滿足人機交互、柔性化生產以及智能制造的現代工業需求，并且擁有廣闊的市場前景。僅僅2019年，我國協作機器人的市場規模已經達13億元，相比同期增長42.9 %。在傳統工業機器人市場不佳的情況下，協作機器人仍然保持增長態勢。

近年來，我國的協作機器人，通過不斷加強技術優化以及產品創新設計，一步步打破國外協作機器人的市場壟斷，其中大族、達明、珞石、節卡、遨博、新松國產自主品牌，在協作機器人市場份額持續增長。

目前制約我國工業機器人產業發展的主要瓶頸是核心零部件缺失，為保障協作機器人的靈活性、安全性及生產柔性，目前大多數企業使用了如伺服電機、諧波減速機、安全控制器、扭矩傳感器、安全控制器等眾多傳統工業機器人沒有的零部件。我國在機器人行業上存在較大技術空白。如果在開發制作的過程中完全采用進口品牌的核心零部件，我國協作機器人的生產制造成本將會大幅提升，完全沒有價格優勢。

當前，協作機器人的設計需要根據實際應用場景，按照控制器預設的程序算法來實現規定動作，其精度的好壞與核心零部件加工制造精度有著巨大的關系。當生產切換場景時，需要人工重新設定原點，調試新的機械臂運動軌跡。由于AI技術的迅速進步，激光、視覺識別、深度學習將成為協作機器人的新中樞。這些先進技術使其可以進行自主判斷、自主學習、自主感知、并進行分析從而進行決策以及人機交互的能力。引入智能算法技術，對機器人的行動誤差進行相應的補償，這樣可以提高協作機器人的適用范圍[1]。

2 研發內容

人機協作機器人不僅可以擁有人的特長，也可以擁有機器的特長。它不但可以不停地進行相同的物理性動作、邏輯推理和思維，而且可以在繁雜的環境下進行判斷并下決策[2]。其協作性主要表現在信息交互，可以讓人和機器進行物理接觸，進行信號交換，亦可以通過HMI。人機協作機器人的基本操作主要有四點：第一、雙臂需要靈活操作；第二、人可以直接對機器人進行操作；第三、人與設備的安全因素，因為是機器人與人類是在同一個環境下工作的；第四、直接接觸。就是在機器人和工作場景之間、機器人的左右手臂，還有機器人和操作工人之間。其中，接觸操作要比現在一般工業機器人的應用要復雜得多，所以我們應該全面重新設計系統的算法、程序，操作、硬件、控制和軟件等。

雙臂機器人最主要的組成部分是關節、控制部分、軟件系統。一個先進的機器人關節應該部分包含力矩傳感器，電機控制器，電機和減速機等基本組成部分。

具體研究內容如下：

1）雙臂機器人關節的設計。關節示意圖如圖1所示。研究關節內部的電機、減速機、編碼器、力矩傳感器、電流傳感器等的綜合控制，使整個控制系統流暢和諧地運行。掌握各零件的安裝方式，裝配關系，安裝連接的設計點，對于電控元器件，要了解其控制方式，輸入輸出口和各項參數等。通過半年時間的研究，協作機器人現在比較適合的是使用中空伺服電機配合諧波減速機進行控制。伺服電機能夠擺正運行的精度，可控制關節準確旋轉。采用諧波減速機可以增加機器人的負載。諧波減速機比傳統的齒輪減速機具有更大負載，而且在正反轉的誤差更小，其結構也緊湊，最為適合用作協作機器人人的關節減速機。也是因為諧波減速機的回轉誤差小，所以在機器人零力拖拽功能的時候控制更加平穩和可靠。

圖1 關節示意圖

2）基于Ethercat總線通訊的雙臂協作機器人的控制技術。目前機器人的控制是用Ethercat總線通訊的，所以整機控制設計時也是采用Ethercat總線通訊，這樣在最大程度上保留原有的通訊方式，而且可以再現有的基礎上進行開發，目前雙臂協作機器人的整機通訊也是基于Ethercat總線通訊。上位機通過Ethercat總線和PLC通訊進行精準控制。通訊無延遲，精準控制。

3）雙臂協作機器人在家電生產線、汽車生產線上的應用，提高生產線的自動化和安全性。定位于冰箱涂膠場景，設計膠槍安裝在機器人末端，人工拖拽示教后軌跡復現，讓機器人走人工示教的涂膠路徑，配合機器人控制系統，輸出涂膠控制程序，實現冰箱門自動涂膠。定位場景二是汽車車門焊裝，目前大部分車門組裝都是采用人工涂膠或者三軸涂膠。人工涂膠效率低，質量不可控。三軸涂膠面對一些復雜曲面時調試相當困難，需要長時間的調試，而且采用三軸涂膠同樣需要采取安全措施，防止工人受傷。采用雙臂協作機器人，可以靈活進行涂膠工作，而且不需要設置安全裝置。協作機器人萬一碰到工人也會自動停止不會產生傷害。更加適合現有的應用場景。

4）基于ROB（Robot Operating System）架構的雙臂協作機器人操作系統研究。軟件部分主流是工控機采用Linux系統來控制，主要的操作系統架構采用ROS（Robot Operating System）。ROS是用于編寫機器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構。它包含了大量工具軟件、庫代碼和約定協議，旨在簡化跨機器人平臺創建復雜機器人行為。主體消息采用TCP/IP傳輸統籌各節點之間的運作，可以處理異步數據流和同步數據流。ROS軟件平臺用于其他自動化設備上，如物料傳遞的兩軸或者四軸的機器臂上。研究的工控機可以在CNC設備上進行應用，與各運動部進行EtherCat總線通訊，負責相關的運動軌跡。

5）協作機器人人體工程學研究。設計出一款符合人類審美，同時滿足相關力學計算需求的機器人，以此作為機器人外觀設計的基礎。機器人設計圖如圖2所示，機器人樣機如圖3所示。

圖2 機器人設計圖

圖3 機器人樣機

2.1 示教技術的研究

目前大多數機器人還需要使用示教器進行示教，示教速度較慢，需要專業工作人員才能操作，這對于機器人的導入是十分不便的。所以，結合現有成熟的工業機器人技術，與協作機器人的控制相融合，研發出一套更加成熟的控制系統。開發人機示教功能，普通的操作人員直接拉動機器人在工件上進行路徑的規劃，操作人員可以根據實際需求拖拽著機器人手臂配合工具在工件上進行操作，機器人在人機示教功能下會根據拖拽的力度給出相應的運動速度，這個反向運動速度跟人移動的速度一致，所以操作人員不會感覺到吃力，通過算法優化，操作人員甚至以自己都感覺不到的力量就能完成拖拽示教，控制器自動記錄路徑，完成示教后，操作人員只需要在示教器上點按保存路徑按鈕即可完成路徑記錄，這樣需要整機調試的時候只需要確定原點和起始點就能完整地完成調試工作了，大大降低了機器人示教的難度和提高了示教的效率。

2.2 機器人負載與協作安全性關系的研究

使用兩個單臂負載為5 kg的協作機器人，根據現有的成熟協作機器人我們自行搭建設計一套雙臂協作機器人，在保證其協作安全性的前提下，成倍地提高了機器人的負載。開發一套全新的控制技術，使兩個單臂協作機器人能夠用一套控制器進行控制，每個機械臂的力矩報警跟原來還是一樣的，但是負載就增加了一倍。在機器人腰部再增加一個旋轉關節，使機器人的柯達范圍更廣，實現安全高可靠性的工作。在控制方面，不去改變每個關節的力矩報警值，同時將機器人兩個手臂的十二個軸和腰部的軸聯動控制，任何一個關節報警，整機都會停止運作。這個技術解決了機器人負載與協作能力的矛盾，提高了協作機器人的負載但又不影響其協作功能。完善了控制技術的漏洞，使協作機器人的故障率大大降低。

2.3 基于ROB（Robot Operating System）架構的雙臂協作機器人操作系統研究

開發一套基于ROB（Robot Operating System）架構軟件，開發友好的人機操作界面，實現機器人的布置、視覺匹配、機器人示教等，解決了機器人行動軌跡發生變化時，需要人工編程的問題，有效降低了調試時間以及學習成本。軟件部分主流是工控機采用Linux系統來控制，主要的操作系統架構采用ROS（Robot Operating System）。ROS是用于編寫機器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構。它包含了大量工具軟件、庫代碼和約定協議，旨在簡化跨機器人平臺創建復雜機器人行為。主體消息采用TCP/IP傳輸統籌各節點之間的運作，可以處理異步數據流和同步數據流。ROS軟件平臺用于其他自動化設備上，如物料傳遞的兩軸或者四軸的機器臂上。研究的工控機可以在CNC設備上進行應用，與各運動部進行EtherCat總線通訊，負責相關的運動軌跡。通訊架構示意圖如圖4示，智能機器人軟件系統如圖5所示。

圖4 通訊架構示意圖

圖5 智能機器人軟件系統

2.4 多關節協作示教技術的研究

協作機器人可以自動控制和進行編程，同時可和工人在一個工作區域中產生近距離的交互并進行協同作業的智能機器人。相比于傳統機器人，協作機器人不僅能應用于工業場景的限制，并且它憑自身輕量化、靈活性、方便控制性、快速配置性、工作空間限制性小的特點，在醫療、教育培訓、新零售等服務業場景中的潛力無限。使用自主設計的拖拽示教功能，解決了目前機器人示教難和慢等問題，同時也降低了機器人操作員工的要求，一般工作人員經過簡單的培訓也能快速掌握機器人的使用與調校。但由于在示教過程中，給定點位信息，機器人也可以存在無數種姿態，在一些簡單的場景下，機器人的姿態對工作是不影響的。但是在某些環境下，機器人的姿態需要調整避免與工件干涉，所以，各個關節必須能夠自我調整，在機器人臂碰到或者將要碰到的時候會反饋信號到主機控制器，控制器用算法優化，自動調整機器人姿態，同時保證TCP不變，不影響實際的工具坐標和現有的點位。

3 協作機器人先進性

1）應用場景可迅速轉換；當工作場景切換后，機器人更換夾具后不需要專業的調試工作人員用示教器進行示教，只需要使用協作機器人的零力拖拽示教功能就可以了。普通工人直接拖拽手臂進行路徑規劃，機器人直接記錄并復現，提高了示教的效率。

2）內置視覺軟件和相機；在雙臂機器人的頭部增加視覺模組，對工件進行拍攝取樣，快速精確地獲取工件信息，精確定位。

3）可與人協同工作，安全可靠；協作機器人可以與工人共同在同一區域進行工作，無需安全圍欄，即使機器人碰到工人也會立即停止，而產生的碰撞力也是人類可以接受的，不會導致受傷。

4）編程簡單易操作，可示教學習；采用模塊化指令，直接調用，在線編程只需要拾取關鍵點就能自動生成所需要的路徑，結合零力拖拽示教功能，更加方便快捷。

4 總結

協作機器人的開發，填補了工業機器人在工業4.0進程上的一個短板，他可以靈活替代工人勞動而且可以安全地與工人一起協同工作，動作比傳統的工業機器人可以更加靈活靈敏。同時，協作機器人也是傳統的工業機器人的機械感大大降低，協作機器人外形更像人類手臂，而且協作機器人各關節具有安全力矩反饋，是得機器人本人對安全有了“感覺”，能夠保障協作機器人身邊的人以及設備，不再像工業機器人一樣機械地運行程序。開發一套成熟的協作機器人，在不久的將來就能和諧地與人類共同工作，替人類完成笨重而危險的工作，甚至能替代人類完成工作。