【導讀】協(xié)作機器人近幾年才開(kāi)始獲得廣泛關(guān)注，但實(shí)際上協(xié)作機器人的概念首次提出是在上世紀90年代。協(xié)作機器人作為新興的、備受關(guān)注的機器人種類(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。
據預測，協(xié)作機器人從2015年到2020年會(huì )增長(cháng)十倍，市值從2014年的9500萬(wàn)美元漲到10億美元,而輕量級機器人會(huì )在兩年內大受歡迎，價(jià)格降到1.5到2萬(wàn)美元。分析公司TechNavio預計，到2019年全球協(xié)作機器人高值的年復合增長(cháng)率會(huì )是50.88%。
三大代表——日系、歐系和國產(chǎn)
安川：人機協(xié)同機器人MOTOMAN-HC10
市場(chǎng)上在人機協(xié)作安全設置的方法上普遍存在這兩個(gè)問(wèn)題：一是為保護人身安全需要設置安全光柵，加大了設備及成本投入；二是操作復雜，不熟練操作的人員無(wú)法操控機器人。為此，安川電機推出具有“設置后立刻使用”、“安全便捷”特點(diǎn)的MOTOMAN-HC10。所有軸都配備有力覺(jué)傳感器，一監測到與人體觸碰，就會(huì )自動(dòng)停止工作。機器外臂裹著(zhù)用來(lái)吸收碰撞的藍色柔軟材，完全可以實(shí)現HC10與人同一空間內工作，不需要安全柵，節省成本。
優(yōu)傲：世界第一臺，UR5機器人
提及歐系代表，優(yōu)傲機器人當仁不讓。UR5可以說(shuō)是世界上第一臺協(xié)作機器人，2009年就已經(jīng)面世。僅通過(guò)聲音、手勢、圖形就能夠理解人類(lèi)指令；人機協(xié)作不需要遮擋物也能安全生產(chǎn)，具備超強的人類(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器人系統。
新松：“太極拳”的7關(guān)節機器人
工業(yè)機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。機器人軸的數量決定了其自由度，自由度越高機器人就越接近人手的動(dòng)作機能,通用性就越好；但是自由度越多，結構越復雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設計中的一個(gè)矛盾。新松機器人設計的這款7軸柔性多關(guān)節機器人，可以說(shuō)是國內首臺7自由度協(xié)作機器人，具備快速配置、牽引示教、視覺(jué)引導、碰撞檢測等功能。如果在一個(gè)狹小的空間內工作，而且需要機械臂反復扭曲反轉，這七軸的機器人會(huì )是很好的選擇。
終極奧義——協(xié)作機器人的產(chǎn)品界定
靈活性
相比傳統大型生產(chǎn)線(xiàn)上的工業(yè)機器人，協(xié)作機器人需要和人類(lèi)協(xié)作，結構尺寸應該更輕巧、更柔性，可操控的空間更大。
易用性
協(xié)作機器人強調易用性，例如可以通過(guò)手勢，由可傳感設備來(lái)跟隨，降低使用門(mén)檻，一線(xiàn)工人可能只需要幾個(gè)小時(shí)就會(huì )操作，免去傳統工業(yè)機器人復雜的編程和配置。
安全性
協(xié)作機器人主要用于人機協(xié)作，和人類(lèi)一起工作，必須保證安全，不能因為意外傷害到人類(lèi)。這對協(xié)作機器人的感知、控制都要求很高。
成本低
協(xié)作機器人面向中小企業(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，是相對較難的。
不可或缺——伺服和傳感器
協(xié)作機器人要具備以上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避免碰撞，讓人機協(xié)作過(guò)程更輕松、安全。
1、超小型、功能強大的伺服驅動(dòng)器
一個(gè)驅動(dòng)器物理尺寸足夠小到能直接安裝在機器人關(guān)節上，保證了機器人尺寸小巧結構緊湊。伺服驅動(dòng)器直接安裝在機器人關(guān)節上，把驅動(dòng)器放置在離編碼器反饋足夠近的地方可以節省電纜，能減少干擾影響，獲得比較低的EMI和RFI指標，系統穩定性大大提升。另一個(gè)讓驅動(dòng)器更易集成進(jìn)關(guān)節的特性是驅動(dòng)器固有的堅固性，可以承受關(guān)節內極高的機械加減速度。
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性能達到最優(yōu)狀態(tài)。系統里的每個(gè)軸采用雙閉環(huán)控制算法來(lái)提高減速機后端關(guān)節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位高分辨率絕對值編碼器作為負載末端位置反饋。
3.運動(dòng)冗余
運動(dòng)學(xué)冗余對于在一個(gè)特定的空間內操作幾個(gè)機器人是很有用處的，因為運動(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，多于六軸的機器人，統一稱(chēng)為冗余自由度機器人。與傳統的6關(guān)節機器人相比，7關(guān)節機器人可以以多角度伸展機械臂接近一個(gè)特定的原件。冗余自由度機器人在避障、克服奇異點(diǎn)、靈活性和容錯性方面具有更多的優(yōu)勢，因此在復雜的工作環(huán)境中冗余自由度的工業(yè)機器人將擁有更多的用武之地。
4、力矩傳感器
在人機協(xié)作的環(huán)境中，這些機器人被安排去完成高速、高精度的任務(wù)。使用相機、力傳感器和其他感知元件，機器人可以感知到人存在并做出相應動(dòng)作避免對人造成傷害。某些情況下，力矩傳感器被放置在電機減速箱的后面來(lái)直接檢測外部力矩的任何快速增加的變化；而其他時(shí)候，機器人需要輸出一定扭矩去提升負載和把負載從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。當機器人識別出運動(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。當激光檢測障礙物時(shí)，門(mén)會(huì )立即停止閉合并回縮，以避免碰撞。在機器人行業(yè)里的大多數安全傳感器也差不多是這樣。
6、零件檢測傳感器
在零件拾取應用中，（假設沒(méi)有視覺(jué)系統），你無(wú)法知道機器人抓手是否正確抓取了零件。而零件檢測應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，系統會(huì )檢測到這個(gè)錯誤，并重復操作一次，以確保零件被正確抓取。
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