【導(dǎo)讀】協(xié)作機(jī)器人近幾年才開(kāi)始獲得廣泛關(guān)注，但實(shí)際上協(xié)作機(jī)器人的概念首次提出是在上世紀(jì)90年代。協(xié)作機(jī)器人作為新興的、備受關(guān)注的機(jī)器人種類(lèi)，其具備很多優(yōu)點(diǎn)，概括起來(lái)有主要四個(gè)：安全、低成本、靈活性以及易于上手的使用方法。
據(jù)預(yù)測(cè)，協(xié)作機(jī)器人從2015年到2020年會(huì)增長(zhǎng)十倍，市值從2014年的9500萬(wàn)美元漲到10億美元,而輕量級(jí)機(jī)器人會(huì)在兩年內(nèi)大受歡迎，價(jià)格降到1.5到2萬(wàn)美元。分析公司TechNavio預(yù)計(jì)，到2019年全球協(xié)作機(jī)器人高值的年復(fù)合增長(zhǎng)率會(huì)是50.88%。
三大代表——日系、歐系和國(guó)產(chǎn)
安川：人機(jī)協(xié)同機(jī)器人MOTOMAN-HC10
市場(chǎng)上在人機(jī)協(xié)作安全設(shè)置的方法上普遍存在這兩個(gè)問(wèn)題：一是為保護(hù)人身安全需要設(shè)置安全光柵，加大了設(shè)備及成本投入；二是操作復(fù)雜，不熟練操作的人員無(wú)法操控機(jī)器人。為此，安川電機(jī)推出具有“設(shè)置后立刻使用”、“安全便捷”特點(diǎn)的MOTOMAN-HC10。所有軸都配備有力覺(jué)傳感器，一監(jiān)測(cè)到與人體觸碰，就會(huì)自動(dòng)停止工作。機(jī)器外臂裹著用來(lái)吸收碰撞的藍(lán)色柔軟材，完全可以實(shí)現(xiàn)HC10與人同一空間內(nèi)工作，不需要安全柵，節(jié)省成本。
優(yōu)傲：世界第一臺(tái)，UR5機(jī)器人
提及歐系代表，優(yōu)傲機(jī)器人當(dāng)仁不讓。UR5可以說(shuō)是世界上第一臺(tái)協(xié)作機(jī)器人，2009年就已經(jīng)面世。僅通過(guò)聲音、手勢(shì)、圖形就能夠理解人類(lèi)指令；人機(jī)協(xié)作不需要遮擋物也能安全生產(chǎn)，具備超強(qiáng)的人類(lèi)感知性能；模塊化插頭和生產(chǎn)部件，三天就可部署的集成機(jī)器人系統(tǒng)。
新松：“太極拳”的7關(guān)節(jié)機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人的靈活性是由什么因素決定的？眾所周知，最重要因素就是軸數(shù)。機(jī)器人軸的數(shù)量決定了其自由度，自由度越高機(jī)器人就越接近人手的動(dòng)作機(jī)能,通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)機(jī)器人的整體要求就越高，這是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)矛盾。新松機(jī)器人設(shè)計(jì)的這款7軸柔性多關(guān)節(jié)機(jī)器人，可以說(shuō)是國(guó)內(nèi)首臺(tái)7自由度協(xié)作機(jī)器人，具備快速配置、牽引示教、視覺(jué)引導(dǎo)、碰撞檢測(cè)等功能。如果在一個(gè)狹小的空間內(nèi)工作，而且需要機(jī)械臂反復(fù)扭曲反轉(zhuǎn)，這七軸的機(jī)器人會(huì)是很好的選擇。
終極奧義——協(xié)作機(jī)器人的產(chǎn)品界定
靈活性
相比傳統(tǒng)大型生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人需要和人類(lèi)協(xié)作，結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)該更輕巧、更柔性，可操控的空間更大。
易用性
協(xié)作機(jī)器人強(qiáng)調(diào)易用性，例如可以通過(guò)手勢(shì)，由可傳感設(shè)備來(lái)跟隨，降低使用門(mén)檻，一線工人可能只需要幾個(gè)小時(shí)就會(huì)操作，免去傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人復(fù)雜的編程和配置。
安全性
協(xié)作機(jī)器人主要用于人機(jī)協(xié)作，和人類(lèi)一起工作，必須保證安全，不能因?yàn)橐馔鈧Φ饺祟?lèi)。這對(duì)協(xié)作機(jī)器人的感知、控制都要求很高。
成本低
協(xié)作機(jī)器人面向中小企業(yè)，盡可能低的成本是非常重要，但往往成本低性能也會(huì)隨之降低，如果在控制成本的同時(shí)提高性能，是相對(duì)較難的。
不可或缺——伺服和傳感器
協(xié)作機(jī)器人要具備以上4個(gè)特點(diǎn)，就必須要有感知、控制和限制力矩的能力。通過(guò)感知外部極小的力矩變化并做出反應(yīng)避免碰撞，讓人機(jī)協(xié)作過(guò)程更輕松、安全。
1、超小型、功能強(qiáng)大的伺服驅(qū)動(dòng)器
一個(gè)驅(qū)動(dòng)器物理尺寸足夠小到能直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，保證了機(jī)器人尺寸小巧結(jié)構(gòu)緊湊。伺服驅(qū)動(dòng)器直接安裝在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，把驅(qū)動(dòng)器放置在離編碼器反饋?zhàn)銐蚪牡胤娇梢怨?jié)省電纜，能減少干擾影響，獲得比較低的EMI和RFI指標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提升。另一個(gè)讓驅(qū)動(dòng)器更易集成進(jìn)關(guān)節(jié)的特性是驅(qū)動(dòng)器固有的堅(jiān)固性，可以承受關(guān)節(jié)內(nèi)極高的機(jī)械加減速度。
2、雙閉環(huán)控制算法
雙閉環(huán)控制算法可以提升伺服電機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。系統(tǒng)里的每個(gè)軸采用雙閉環(huán)控制算法來(lái)提高減速機(jī)后端關(guān)節(jié)末端位置的定位精度。增量式編碼器和Hall元件作為速度環(huán)反饋置于減速箱前端，19位高分辨率絕對(duì)值編碼器作為負(fù)載末端位置反饋。
3.運(yùn)動(dòng)冗余
運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余對(duì)于在一個(gè)特定的空間內(nèi)操作幾個(gè)機(jī)器人是很有用處的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)干涉很容易處理。六個(gè)自由度是具有完成空間定位能力的最小自由度數(shù)，多于六軸的機(jī)器人，統(tǒng)一稱(chēng)為冗余自由度機(jī)器人。與傳統(tǒng)的6關(guān)節(jié)機(jī)器人相比，7關(guān)節(jié)機(jī)器人可以以多角度伸展機(jī)械臂接近一個(gè)特定的原件。冗余自由度機(jī)器人在避障、克服奇異點(diǎn)、靈活性和容錯(cuò)性方面具有更多的優(yōu)勢(shì)，因此在復(fù)雜的工作環(huán)境中冗余自由度的工業(yè)機(jī)器人將擁有更多的用武之地。
4、力矩傳感器
在人機(jī)協(xié)作的環(huán)境中，這些機(jī)器人被安排去完成高速、高精度的任務(wù)。使用相機(jī)、力傳感器和其他感知元件，機(jī)器人可以感知到人存在并做出相應(yīng)動(dòng)作避免對(duì)人造成傷害。某些情況下，力矩傳感器被放置在電機(jī)減速箱的后面來(lái)直接檢測(cè)外部力矩的任何快速增加的變化；而其他時(shí)候，機(jī)器人需要輸出一定扭矩去提升負(fù)載和把負(fù)載從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。當(dāng)機(jī)器人識(shí)別出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一個(gè)異常扭矩增加值，如碰撞，會(huì)自動(dòng)停下來(lái)。
5、安全傳感器
要想讓工業(yè)機(jī)器人與人進(jìn)行協(xié)作，首先要找出可以保證作業(yè)人員安全的方法。這些傳感器有各種形式，從攝像頭到激光等，目的只有一個(gè)，就是告訴機(jī)器人周?chē)臓顩r。最簡(jiǎn)單的例子就是電梯門(mén)上的激光安全傳感器。當(dāng)激光檢測(cè)障礙物時(shí)，門(mén)會(huì)立即停止閉合并回縮，以避免碰撞。在機(jī)器人行業(yè)里的大多數(shù)安全傳感器也差不多是這樣。
6、零件檢測(cè)傳感器
在零件拾取應(yīng)用中，（假設(shè)沒(méi)有視覺(jué)系統(tǒng)），你無(wú)法知道機(jī)器人抓手是否正確抓取了零件。而零件檢測(cè)應(yīng)用可以為你提供抓手位置的反饋。例如，如果抓手漏掉了一個(gè)零件，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到這個(gè)錯(cuò)誤，并重復(fù)操作一次，以確保零件被正確抓取。
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