截至 2023 年底，協作機器人相關的專利申請量為 1770 件。從 2016 年至 2022 年，我國 協作機器人專利申請趨勢呈逐年增長的態勢，2023年申請數量降為292件，同比下降18.44%
1.協作機器人技術特點
協作機器人的技術特點主要為安全性、易用性、靈活性、共融性等。安全問題是人機協 作系統的基礎，協同工作必須以保證操作人員的安全為前提；易用性和靈活性是人機協作系 統的重點，能夠快速適應柔性的、復雜的生產方式是協作機器人的優勢；共融性則是協作機 器人全面深入市場、多方位超越工人的核心。
一、安全性方面 安全性是協作機器人最顯著的特點之一，協作機器人通過裝備先進的傳感器（如力矩傳 感器和碰撞檢測系統），能夠在與人類工作者互動時立即檢測到接觸并限制力量輸出，從而 防止意外傷害，無需額外的安全圍欄。 協作機器人在安全性方面的技術發展現狀集中體現在以下幾個方面： 自然交互與人機安全：協作機器人設計強調與人類操作員的自然交互能力，通過集成 先進的傳感器技術如視覺識別以及基于人工智能的決策系統，使得機器人能夠理解周圍環 境，包括人的存在與動作，從而確保安全互動。例如，使用激光雷達、攝像頭等傳感器實時監測工作區域，通過圖像處理技術識別障礙物和潛在的碰撞風險，進而提前采取規避措施， 預防潛在危險。
碰撞檢測與避障：這一領域發展迅速，包括無傳感碰撞檢測和基于力矩反饋的碰撞檢 測。如 Universal Robots(UR)的機器人采用無傳感方法，ABB 的 YuMi 機器人則利用電流環 式碰撞檢測技術，能在機器人遇到阻力或碰撞時立即作出反應，減少傷害風險。一些研究和 應用探索了電子皮膚技術，使機器人能夠直接感知接觸并評估安全狀況。如越疆協作機器人 通過搭載安全皮膚，能夠實時感知機械臂周圍 15cm 的工作區域。安全皮膚采用碰撞中段檢 測技術，在保證高生產效率的同時，為協作機器人提供非接觸式的接近感知與碰撞預防等人 機協作安全性解決方案。 協作機器人安全性技術的發展聚焦于提高感知能力、增強智能決策、實現靈活的避障機 制以及遵循嚴格的安全標準，這些進步共同推動了協作機器人在各行業應用中的普及與信任 度提升。
二、易用性方面 協作機器人在易用性方面的技術發展集中于降低機器人部署和使用門檻，提升操作便捷 性和提高用戶的接受度。在易用性方面的技術進步和趨勢主要體現在： 拖拽示教（Teach-by-Demonstration）：這一技術允許用戶通過手動引導機器人手臂完 成一系列動作，機器人隨后自動記錄這些動作并轉化為可重復的程序。這種方式極大地簡化 了編程過程，即便是沒有編程經驗的操作員也能快速上手。在焊接等對精度和路徑規劃有較 高要求的應用場景中，現代協作機器人通過采用直觀的拖拽示教技術，不僅簡化了協作機器 人在焊接等復雜任務中的示教流程，還提高了工作的靈活性和效率，降低了實施自動化改造 的難度和成本，極大改善了用戶體驗。
可視化編程界面：現代協作機器人通常配備直觀的圖形用戶界面(GUI)，用戶可以通過 拖放圖標、設置參數等方式編寫機器人程序，類似于搭建積木，降低了編程的復雜度。同時 還融合了無線通訊技術，使用平板、手機等移動終端替代傳統示教器，顯著提升了編程的便 捷性和靈活性。 模塊化與即插即用設計：模塊化設計允許用戶快速更換機器人末端執行器或增加傳感 器，適應不同的應用場景，而即插即用功能簡化了硬件的配置過程，縮短了部署時間。 自然語言處理和語音命令：部分協作機器人開始整合自然語言處理技術，允許用戶通 過語音指令控制機器人，進一步簡化操作流程，提高人機交互的自然度。 這些技術進步共同推動了協作機器人的易用性，使之更加貼近實際工作場景的需求，不僅提升了生產效率，也降低了企業采用自動化技術的門檻，促進了協作機器人在更多行業和 中小企業的廣泛應用。
三、靈活性方面 與傳統工業機器人相比，協作機器人強調適應性和靈活性。協作機器人在靈活性方面的 技術發展主要集中在以下幾個核心領域，這些進步使得機器人能夠更好地適應多樣化的應用 場景，與人類更加緊密、安全地協作： 輕量化設計：輕量化設計降低了機器人對操作人員的潛在傷害風險，使得協作機器人在 商用和家庭等非工業場景中更加易于部署、操作和維護，減少了對工作環境的改造需求，降 低了總體成本，促進了協作機器人技術在更廣泛領域的商業化應用。 模塊化和集成化設計：現代協作機器人采用了高度模塊化設計，將機器人分解成多個獨 立的輕量化模塊，允許用戶根據不同的任務需求快速更換末端執行器、傳感器和其他組件， 方便更換和升級。這種設計提高了機器人的多功能性和適應性，使得同一臺機器人能夠勝任 裝配、搬運、檢驗等多種任務。集成化設計則將傳感器、控制器等部件盡量集成在一起，減 少外部連線，既減輕了重量，又簡化了安裝和維護。
力控與柔順控制技術：通過集成高精度的力矩傳感器和先進的控制算法，協作機器人能 夠實現力控操作，即在與物體或人類接觸時，根據接觸力的大小和方向調整動作，實現柔順 的交互。這不僅提高了安全性，也使得機器人在執行需要精細力控的任務（如精密裝配）時 更加靈活。 云平臺與遠程管理：借助云計算技術，協作機器人可以遠程接收指令、上傳數據、進行 軟件更新和故障診斷，減少了現場維護的需求，增強了系統的靈活性和響應速度。 這些技術進步不僅增強了協作機器人的靈活性和適應性，也促進了其在各種工業和非工 業環境中的廣泛應用，從制造業到醫療、服務業、科研等多個領域，都展現了協作機器人的 巨大潛力。
四、共融性方面 協作機器人在共融性方面的技術發展主要集中在以下幾個方面，旨在促進機器人與人類、 其他機器人以及工作環境的和諧、高效互動： 情境感知與理解：集成多種傳感器（如視覺、聲音、觸覺）和人工智能算法，使機器人 能夠感知環境狀態、識別工作對象、理解人類意圖和情緒，從而做出合適的反應，增強協作 的有效性。 人機交互界面的優化：通過更直觀的圖形用戶界面、語音識別、手勢控制等手段，簡化人機交流過程，使得非專業人士也能輕松指導和與機器人協作，提高了共融性。
學習與自適應能力：利用機器學習和深度學習技術，協作機器人能夠學習人類的作業習 慣、改進操作技巧，甚至預測人類合作伙伴的行為，增強協作的默契度和效率。 標準化與互操作性：制定統一的通信協議和接口標準，如RO（S Robot Operating System） 等，增強不同品牌和型號的機器人之間以及機器人與其他自動化設備的兼容性，促進共融工 作環境的構建。 倫理與法律框架：隨著機器人技術的發展，相關倫理和法律規范也在逐步建立和完善， 確保機器人在共融環境中遵循社會倫理標準，保障人類權益和社會秩序。 現階段協作機器人在共融性方面已經有了較大提升，并仍在不斷進步中，能夠與機器視 覺系統、移動操作技術、AI 技術平臺、各類工藝包等進行共融互通，實現各類延展性應用。
2.協作機器人產品技術趨勢與方向
一、大負載產品占有率逐漸提升 近年來，協作機器人的性能在不斷向工業方向靠攏，穩定性不斷提高；從最早的 3kg、 5kg、10kg 的負載，到現在 20kg、30kg、35kg、50kg 的負載，大負載產品市場占有率逐漸提 升；從開始的 1m/s 的速度，到現在可達 3m/s，速度不斷變快；精度也達到了工業級別的 0.02mm。 從性能上而言，協作機器人不斷沖擊原來由于技術限制所形成的協作機器人與工業機器 人之間涇渭分明的界限；從應用上來看，協作機器人在工業領域有了越來越多的應用，甚至 在部分領域已經替代了傳統意義的工業機器人。
然而，對于這些大負載、高速度的協作機器人，安全性則是對性能的一種桎梏，為了保 證人機協作的安全，它們都只能被設定在很低的速度下運行。為此，ABB 設計生產了 CRB 1100 協作機器人，是一款跨界探索產品，本體與工業機器人無異，但增加了安全激光掃描儀，配 合 ABB 的 SafeMove2 功能，通過感知人體與機器人的距離來調整工作狀態，相當于增加了一 個隱形的圍欄來保障了安全性，相對協作機器人人機協同的共享工作空間，存在安全區域的 人機隔離。
二、核心零部件性能優化 電機：協作機器人電機后續發展必然是向高扭矩、大中空、高功率密度等方向發展。核 心零部件重量輕，功率密度高將成為主要特點，使得協作機器人關節更加輕量化，負載力更 高。 伺服驅動：機器人伺服驅動偏向集成化，小體積化，要求具備高動態響應，高精度，力 控制及抖動抑制，整體向智能化發展。 編碼器：機器人編碼器是伺服控制的核心部件，目前在成本上，可制造性，精度等還有 一定的局限。后續發展方向主要是圍繞高精度、高集成度、高可靠性發展。 伺服控制性能提高，必然要求編碼器技術的提高，高精度編碼器尤為重要。由于需要關 節輸入輸出兩側位置、速度等，編碼器需要采集兩端信息，高集成度的編碼器同時采集兩端 信息，減少體積和走線尤為重要。另外編碼器必然需要更高的可靠性，抗干擾，在強輻射、 高低溫等特殊場合依然保持可靠性。
三、感知化 智能傳感器的發展方向后續主要圍繞視覺、力傳感器、電子皮膚、人機交互及安全方面。 首先機器人必須要有力感知，具備力感知的機器人能夠更好地實現智能柔順抓取，也可以更好的與人進行安全交互。其次機器人要圍繞視覺感知發展，讓機器人可以看見周圍環境，其 包智能相機技術、3D 視覺傳感技術、3D 激光雷達技術等。 “眼睛”對于機器人執行新任務（例如在倉庫中挑選和移動產品）不可或缺。傳統機器 人（或沒有視覺系統的機器人）只能完成簡單的重復性任務，而具有機器視覺的機器人可以 解決更多問題，例如來料位置不一致，來料具有公差等。除此之外，視覺系統可以賦予機器 人讀取顏色或紋理的能力，使機器人能夠完成檢測類應用，例如：條形碼檢測。而配備 3D 視覺系統的機器人功能更加強大，可以抓取或檢測立體的物體，實現無序抓取等應用。 除了對光信號的感知外，具備對外界力的感知能力也將極大拓寬機器人的應用場景，例 如打磨、裝配、按摩、康復以及手術等。未來機器人將不可避免的與人共同工作或為人直接 提供服務。具備力的感知能力可以保證機器人與人接觸過程中的安全，避免異常情況對人的 傷害。同時，具備力的感知能力將便于機器人的使用，人可以通過直接拖動的方式給機器人 安排工作，無需學習復雜的編程語言，協作效率也得以提升。在按摩等場景中，機器人與人 直接接觸，靈敏的力感知可以讓機器人模擬人的按摩動作，達到與人相同的治療效果。
四、智能化 機器人作為一直以來作為機電執行機構，只能替代簡單體力勞動。對于復雜非結構化的 場景，則無法發揮太大作用。近年來，隨著人工智能技術的發展，越來越多的新式應用涌現 出來，例如無序抓取，智能檢測等。隨著工業數據的積累和計算機算力的提升，機器人可以 通過學習的方式處理復雜問題，優化動作流程。 AI 應用是未來協作機器人技術的發展趨勢，未來只有具備人工智能，自制學習判斷的 協作機器人才可以成為真正的協作機器人。機器人除了安全和人機交互外，必然需要深度學 習，可以通過自主學習訓練使得機器人更加具備智能化，也是人機交互的重點。 未來機器人控制器或將發展為零編程使用，通過使用多傳感器融合后的智能學習判斷， 與人智能交互后即可實現目標任務的執行。
五、模塊化 底層部件的模塊化為機器人整機的開發夯實了基礎，提升了新產品的開發速度，增強了 新產品的可靠性。不同規格的關節經過組合，配上相應的連桿，即可組成一款新的機器人， 無需從底層模塊開發。同時，不同機器人共用相同的關節，關節的使用數量會有大幅提升， 更有利于關節的成熟。此外，關節的批量使用也使企業的采購成本降低，進而降低了機器人 整機的成本，從而大幅提升機器人的性價比和競爭力。
