協作機器人定義、特點、分類及發展歷程回顧

過去，行業里眾多組織和平臺對協作機器人進行了基本的定義。

國際標準組織(ISO)在 ISO/TS 15066(協作型機器人技術規范)中定義：“協 作型機器人是工業機器人的一個分支”，強調了協作機器人的起源；中國全國科 學技術名詞審定委員會定義：“為與人直接交互而設計的機器人”，強調了協作 機器人的設計屬性；美國專利局定義：“協作機器人是一種用于人與計算機控制 的機械手之間直接物理交互的設備與方法”，更細化的說明了協作機器人的屬性。 可以看出，這些定義主要強調了協作機器人的基本概念及設計理念。協作機 器人發展至今，在結構和功能上不斷實現創新，應用場景不斷豐富，其定義也在 這個過程中不斷豐富及具象化。在本文中，我們將協作機器人定義為一種設計為 六軸或七軸形態，用來與人類在共同工作空間、近距離、協同作業的智能化機器 人，旨在協助人類在工業及非工業場景中完成重復的工作。

與傳統工業機器人不同，協作機器人拓展了機器人功能內涵中“人”的屬性， 使機器人具備一定的自主行為和協作能力，可在非結構的環境下與人配合完成復 雜的動作和任務，使機器人真正成為人的合作伙伴，解決傳統工業機器人應用的 局限性。協作機器人應用于工業場景中時無需在工人與機器人產品之間設置隔離欄進行分離，從而解除了傳統工業機器人在使用過程中對于人工生產力的限制， 確保了產線的靈活性與生產效率。

協作機器人相比于傳統工業機器人有諸多特點，其應用過程 中具有安全、靈活、易用等優勢，適用于空間有限、人員密集的產線以及“小批 量、多品種”的柔性產線，同時在環境復雜，需求多樣且人員接觸壓力更高的非 工業場景中優勢更為明顯。 1. 安全性 協作機器人的定義強調了其與人類近距離協同工作的特性。這意味著它不是 孤立運行的，而是能夠在人類工作者身邊安全、高效地完成任務。其安全性體現 在配備了先進的傳感器和防護機制，能及時感知人類的接近并做出相應的減速或 停止動作，以避免碰撞和傷害。 2. 靈活性 靈活性則表現在協作機器人可以適應不同的工作環境和任務需求，較輕的自 重使其更易于搬運或配合移動設備實現移動式柔性作業，拖動示教功能使其可在 短時間內輕松調整動作和路徑。 3. 易用性 協作機器人易于編程操作，使得非專業技術人員也能快速上手，通過直觀的 界面和簡單的指令就能讓機器人執行復雜的任務

按結構形態劃分： 目前，協作機器人的結構形態分為兩類：單臂協作機器人、雙臂協作機器人 。單臂協作機器人是目前常見的，也是應用最多的結構類型，可 用于大多數搬運、裝配場景。雙臂協作機器人則在需要更高程度的協同作業或需 要進行復雜操作的任務中具有優勢，常用于醫療手術、實驗室操作、精細裝配等 領域。

按關節軸數劃分 ：主流協作機器人按關節軸數可劃分為六軸協作機器人和七軸協作機器人（如 表 3 所示），用以滿足不同應用場景對協作機器人靈活性的要求。其中，六軸是 協作機器人最為常見的軸數，也是目前市場上協作機器人的主流形態，市場占比 超 90%，六軸機器人在具備良好的空間可達性基礎上，具有較高的技術成熟度和 性價比。目前業內也有四軸類“協作機器人”，但其形態設計、硬件構成和應用 場景均與主流協作機器人存在較大差異，故此類機型不劃分入協作機器人范疇。 七軸協作機器人相比六軸機器人，更加靈活，利用其冗余自由度可以通過更 科學的運動軌跡規劃達到良好的運動學特性，并且可以利用其結構實現最佳的動 力學性能。

按負載能力劃分： 按最大負載能力劃分，可將協作機器人分為四類：Mini 協作機器人、輕型協 作機器人、大負載協作機器人、重負載協作機器人，用于匹配不同負載需求的工 作場景。

協作機器人的發展歷程反映了工業自動化、人工智能以及機器人技術的不斷 進步。協作機器人與傳統工業機器人的最大區別在于其能夠在工人旁邊安全工作，而不需要隔離護欄，且更加靈活、智能。以下是協作機器人發展的主要階段： 1. 萌芽階段（1990s 初期） 1995，美國通用汽車（GM）針對汽車行業痛點發起了研究項目，項目旨在找 出讓機器人變得足夠安全的方法，以便機器人可以和工人協同工作。傳統工業機 器人需要嚴格的安全隔離措施，而“新型機器人”可以與人類共同作業，提高生 產效率。1996 美國西北大學兩位教授首次提出了協作機器人的概念。 美國國家科學基金會（NSF）支持了早期協作機器人技術的研發，重點是通 過感知與反饋系統，使機器人能夠感知環境，并在有碰撞風險時自動停止或減速。 2. 技術突破階段（2000s） 2008 年，丹麥公司 Universal Robots 發布了世界上第一臺商用協作機器人 ——UR5。UR5 可以在沒有防護欄的情況下工作，并且其輕便、易編程和價格較 低，迅速引發市場關注。 協作機器人核心技術也在這個階段得到突破，最具代表的為力反饋技術，協 作機器人通過使用力傳感器，使其能夠檢測到外部施加的力，并作出相應反應， 從而保證在人機交互時的安全性。 ISO 10218-1 標準的發布，為協作機器人在人機協作的安全操作方面提供了 規范，促進了技術的進一步發展。

3. 快速增長階段（2010~2020） 隨著 Universal Robots 的成功，協作機器人市場開始快速增長。其他機器 人公司如 ABB、KUKA、FANUC 等傳統工業機器人巨頭以及中國機器人公司也紛紛 進入協作機器人市場，推出了各自的協作機器人系列（其中 KUKA、FRANKA 等以 德宇航技術為基礎，推出可實現高精度作業的七軸關節力控協作機器人）。 2011 年，Rethink Robotics 推出 Baxter，進一步推動了協作機器人在中小 型企業中的普及。協作機器人開始廣泛應用于制造企業、汽車工業、電子行業、 食品加工等領域，特別是在需要高精度和靈活性作業的任務中，如裝配、打螺絲、 焊接等。

2013 年，優傲機器人（UR）進入中國市場，將協作機器人的概念帶入了中 國，打開了協作機器人在中國的應用局面。2014 年，以節卡機器人（JAKA）為代 表的一批“協作機器人新勢力”誕生，這些公司有著上海交通大學等全球頂級院 校的技術積累和自動化行業經驗，短短數年在全球嶄露頭角，市場份額不斷擴大。 2016 年，國際標準化組織針對協作機器人發布了最新的工業標準——ISO／ TS 15066：Robots and robotic devices—Collaborative robots，作為支持 ISO 10218 的補充文檔，該標準進一步明確了協作機器人的設計細節及系統安全 技術規范。由此，協作機器人在標準化生產的道路上步入正軌。

4. 成熟與智能化發展階段（2020 至今） ①多領域擴展：協作機器人不僅限于制造業，還開始向其他非工業領域擴展， 包括醫療、農業、服務業、特種領域等。比如，在醫療領域，協作機器人被用來 執行外科手術輔助和康復訓練；在服務業，協作機器人用于制作咖啡、湯面。 ②成本下降與普及：隨著技術的成熟和生產成本的下降，協作機器人的價格 逐漸降低，使得中小企業也能夠負擔得起，從而加速了市場的普及。 ③人工智能與協作機器人結合：協作機器人逐漸融入人工智能（AI）技術， 特別是在機器視覺、自然語言處理和機器學習方面，協作機器人能夠更好地感知 環境，并根據實時數據進行決策。 機器人的操作變得更加智能和自動化。例如，通過 AI 視覺系統，機器人能 夠自動識別并抓取復雜形狀的物體，或通過深度學習算法自主優化工作路徑。