協(xié)作機(jī)器人核心技術(shù)定義及發(fā)展現(xiàn)狀如何？

協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品技術(shù)的核心要素主要包括安全性、易用性以及靈活性。

協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在設(shè)計理念和應(yīng)用方式上有著顯著的區(qū)別。它 們從一開始就被設(shè)計為能夠與人類工人在同一個工作區(qū)域內(nèi)安全地互動。這種設(shè) 計哲學(xué)使得協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用場景更富有多樣性。而作為其重要支撐的核心技術(shù) 要素主要包括：安全性，以確保人機(jī)近距離互動時的人員安全；易用性，使操作 人員能夠輕松上手和操作；靈活性，以便更好地適應(yīng)不同應(yīng)用場景的需求。

協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計初衷是為了在工業(yè)環(huán)境中與人類工人共同工作，因此它們 在安全性方面的設(shè)計和性能要求與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人有著本質(zhì)的不同。 碰撞檢測是確保協(xié)作機(jī)器人安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一，它通過不同的方法來 監(jiān)測和預(yù)防機(jī)器人在操作過程中可能發(fā)生的碰撞。這項技術(shù)包括基于傳感器的碰 撞檢測和基于無傳感器的碰撞檢測，主流方案有“電流環(huán)（無傳感器）方案”、 “力扭矩傳感器方案”。 ①“電流環(huán)（無傳感器）方案”：這種方案通過監(jiān)測機(jī)器人電機(jī)的電流變 化來推斷外部力矩，進(jìn)而檢測潛在的碰撞。它依賴于機(jī)器人的力學(xué)模型和電流力矩關(guān)系，不需要額外的傳感器，由于不依賴外部傳感器，這種方案在成本上具有明顯優(yōu)勢，也是業(yè)內(nèi)玩家普遍使用的方案。無傳感器方案需要依賴系統(tǒng)的動態(tài) 模型進(jìn)行控制，而實(shí)際系統(tǒng)中往往存在參數(shù)不確定性和非線性因素，這可能導(dǎo)致 控制精度下降。同時，外力矩在通過減速機(jī)傳遞給電機(jī)時會有出現(xiàn)力損失。這些 因素都影響了該方案的碰撞檢測精度，在對于碰撞、震動要求較高的應(yīng)用中難以 匹配需求。

②“力矩傳感器方案”：該方案除力矩傳感器本身高敏感度因素外，由于傳 感器安裝在機(jī)器人的連桿或關(guān)節(jié)處，可以繞過減速機(jī)，從而避免了減速機(jī)的摩擦 力和柔性構(gòu)造對力矩測量的干擾，能夠更準(zhǔn)確地檢測到碰撞事件。但使用傳感器 產(chǎn)品，成本相比“電流環(huán)（無傳感器）方案”存在劣勢。協(xié)作機(jī)器人的“力矩傳 感器方案”主要通過在機(jī)器人的不同部位安裝力矩傳感器來實(shí)現(xiàn)碰撞檢測和力控 制。“底座力矩傳感器方案”在機(jī)器人的底座或基座處安裝力矩傳感器，可以監(jiān) 測整個機(jī)器人系統(tǒng)受到的外力。這種方案適合于需要整體碰撞檢測的應(yīng)用，如搬 運(yùn)和裝配任務(wù)。“關(guān)節(jié)力矩傳感器方案” 在機(jī)器人的每個關(guān)節(jié) 處安裝力矩傳感器，檢測碰撞更靈敏，并可以在應(yīng)用中提供更精細(xì)的碰撞檢測和 力控制，該方案成本較高。

易用性是協(xié)作機(jī)器人區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的代表技術(shù)要素，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器 人采用專業(yè)編程設(shè)備及語言進(jìn)行編程，有較高的使用門檻。而更為簡單易懂的圖 形化編程等技術(shù)目前已被廣泛在協(xié)作機(jī)器人編程中采用。“安全性”作 為協(xié)作機(jī)器人“人機(jī)近距離協(xié)同作業(yè)”的技術(shù)前提，使其具備了解鎖人機(jī)高度互動的拖動示教等更為多樣靈活的示教方式的可能性，簡單的編程及示教 方式真正意義上賦予了協(xié)作機(jī)器人“易用性”這一技術(shù)屬性。受益于“易用性” 優(yōu)勢，協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品向下兼容能力擴(kuò)大，導(dǎo)入門檻大幅降低，甚至為未來機(jī)器 人進(jìn)入家庭場景打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

①“圖形化編程”是一種用戶友好的編程方法，它將復(fù)雜的代碼指令轉(zhuǎn)化 為圖形化的模塊或圖標(biāo)，并允許編程者通過拖拽、連接這些圖形模塊來構(gòu)建程序 的邏輯結(jié)構(gòu)。這些圖形模塊通常代表著不同的功能或操作，例如機(jī)器人的運(yùn)動控 制、傳感器數(shù)據(jù)讀取、邏輯判斷等。圖形化編程工具會將用戶構(gòu)建的圖形化程序 轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可執(zhí)行的代碼，從而實(shí)現(xiàn)對協(xié)作機(jī)器人的控制。通過拖拽和連接圖 形模塊的方式，編程者可以快速構(gòu)建程序邏輯，減少了編寫代碼的時間和工作量。 這有助于提高編程效率，縮短開發(fā)周期。

②“拖動示教”在使用時需要通過拖拽機(jī)器人手臂到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行記憶， 是一種非常直觀的交互式編程方式。雖然“拖動示教”在形式上看上去非常簡單，其實(shí)現(xiàn)需要依賴于協(xié)作機(jī)器人配備的力傳感器和先進(jìn)的控制系統(tǒng)，背后蘊(yùn)藏著復(fù) 雜的力學(xué)技術(shù)原理。當(dāng)操作人員對機(jī)器人的末端執(zhí)行器或機(jī)械臂施加外力時，電 流環(huán)或力傳感器會檢測到這個外力的大小和方向，并將這些信息反饋給控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信息，計算出機(jī)器人應(yīng)該運(yùn)動的方向和速度，從而使機(jī)器人跟 隨操作人員的拖拽動作進(jìn)行運(yùn)動。在拖拽過程中，操作人員可以將機(jī)器人移動到 期望的位置，并通過特定的操作（如按下按鈕）來記錄這些位置點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)會 將這些位置點(diǎn)和相應(yīng)的運(yùn)動軌跡信息存儲下來，以便機(jī)器人能夠重復(fù)執(zhí)行相同的 任務(wù)。“拖動示教”的技術(shù)核心在于如何“拖動”?；?ldquo;拖動”的實(shí)現(xiàn)方式不 同，主流的“拖動示教”方案有“無力傳感器方案（電流環(huán)）”、“六維力傳感 器方案”、“關(guān)節(jié)力矩傳感器方案”等。其中，“六維力傳感器方案”是目前一 種比較容易實(shí)現(xiàn)的方案，適用于包括傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的幾乎所有機(jī)械臂類產(chǎn) 品。其原理主要是在機(jī)械臂的末端安裝“六維力傳感器”，通過對末端各個方向 受力情況的實(shí)時感應(yīng)反饋實(shí)現(xiàn)“拖動示教”。

因其擁有容易安裝且對機(jī)械臂本體 設(shè)計幾乎不造成任何影響的優(yōu)勢，在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域被廣泛使用。同時其缺點(diǎn)也 比較明顯，由于感知區(qū)域被限制在機(jī)械臂末端，同時控制量是帶寬較小的位置， 拖動整個機(jī)械臂時的反應(yīng)速度較慢，實(shí)際手感較重。“無力傳感器方案”的原理 是基于力學(xué)模型，在機(jī)器人的力矩模式中，通過控制“電流”對重力、摩擦力、 庫侖力等進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過補(bǔ)償后機(jī)械臂關(guān)節(jié)在“拖動”時造成的阻力變小，實(shí)際 “拖動”變得非常容易。這種方案最大的優(yōu)勢在于整個方案中無需額外搭載傳感 器產(chǎn)品，使得其性價比非常高。但同時由于摩擦力影響因素多，模型構(gòu)建復(fù)雜， 真正意義上的補(bǔ)償以目前的技術(shù)水平還難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致直線及圓弧“拖動”比較 困難。“關(guān)節(jié)扭矩傳感器方案”是通過在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)處內(nèi)置扭矩傳感器進(jìn)行力 矩的閉環(huán)控制從而對電機(jī)的慣量、關(guān)節(jié)的摩擦力等物理量進(jìn)行較為精準(zhǔn)的補(bǔ)償， 最終達(dá)到更加順滑的“拖動示教”的效果。與“六維力傳感器方案”對比，這種 方案的優(yōu)勢在于可以實(shí)時感應(yīng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的力矩，同時控制量是帶寬較大的力 矩，可以較大的減少拖動時的“沉重感”。與“無力傳感器方案”相比，這種方 案直接對實(shí)際的力進(jìn)行感應(yīng)，無需建立復(fù)雜的力學(xué)模型，很大程度上削弱了摩擦 力的影響。但是這種方案改變了本體的基礎(chǔ)設(shè)計，且需要內(nèi)置數(shù)個“關(guān)節(jié)扭矩傳 感器”，導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高。受益于 “圖形化編程”、“拖動示教”等一系列軟硬件技術(shù)，協(xié)作機(jī)器人 在應(yīng)用部署中也體現(xiàn)出的較高的“易用性”。

件方面，目前 AI 算法正在不斷賦能協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人 的“機(jī)器學(xué)習(xí)”從而應(yīng)對來自于各種場景的多樣化需求。這些算法使協(xié)作機(jī)器人 具備了較強(qiáng)的“靈活性”，同時現(xiàn)階段通過“機(jī)器學(xué)習(xí)”可以適應(yīng)的場景還相對 簡單且局限。而面對影響因素較多的復(fù)雜的場景時，目前的技術(shù)仍然不夠成熟， 如何使機(jī)器人產(chǎn)品作為大型系統(tǒng)的一部分，在進(jìn)行協(xié)同作業(yè)的前提下實(shí)現(xiàn)有效且 高效的學(xué)習(xí)演化是目前整個行業(yè)的課題。 在硬件方面，目前目前主流協(xié)作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與 6 軸工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計 思路基本相同，6 自由度設(shè)計使協(xié)作機(jī)器人具備了較高的“靈活性”，可以覆蓋 絕大多數(shù)應(yīng)用場景需求。相比起更側(cè)重于剛度，且結(jié)構(gòu)設(shè)計較為厚重的傳統(tǒng)工業(yè) 機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人采用了緊湊且纖細(xì)的外觀設(shè)計以及輕量化材料，使得它在 “靈活性”方面的表現(xiàn)更為出色。除了主流的 6 自由度設(shè)計之外，行業(yè)中常見 的 6 + 自由度以及雙臂協(xié)作機(jī)器人等具有更高自由度的設(shè)計，毫無疑問能夠更 好地應(yīng)對那些對“自由度”有著更高要求的場景。此外，用于定義協(xié)作機(jī)器人在 應(yīng)用場景中功能的末端執(zhí)行器產(chǎn)品，在協(xié)作機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)著極為關(guān)鍵的 地位。日益豐富多樣的執(zhí)行器產(chǎn)品，將會進(jìn)一步增強(qiáng)協(xié)作機(jī)器人的“靈活性”優(yōu) 勢，使其能夠更加靈活地適應(yīng)各種復(fù)雜多變的工作場景和任務(wù)需求，為不同行業(yè) 的生產(chǎn)和服務(wù)提供更加高效、智能的解決方案。

這些在實(shí)際應(yīng)用場景中所展現(xiàn)出的“靈活性”優(yōu)勢，讓協(xié)作機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)迅 速升級、招工愈發(fā)困難的工業(yè)領(lǐng)域中擁有廣闊的導(dǎo)入空間。隨著產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展 和升級，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式面臨著諸多挑戰(zhàn)，而協(xié)作機(jī)器人的“靈活性”使其能夠 更好地適應(yīng)產(chǎn)業(yè)升級所帶來的變化。同時，招工難的問題日益凸顯，協(xié)作機(jī)器人 的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新的途徑。其能夠靈活地完成各種復(fù)雜的任務(wù)，在 一定程度上彌補(bǔ)了勞動力不足的問題。