□文/盧月品、張含陽

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破局七軸工業(yè)機器人發(fā)展

□文/盧月品、張含陽

近期，國際知名機器人廠商紛紛發(fā)布七自由度工業(yè)機器人產品，這引發(fā)了我們的思考。七軸工業(yè)機器人從上世紀七十年代末逐步發(fā)展至今，為工業(yè)自動化的推進起到了重要的作用。由于具備其獨特的技術優(yōu)勢，因此其相關產品動向更值得我們深入研究。

眾所周知，目前較先進的傳統(tǒng)機器人一般最多具有六個自由度，其中，前三個自由度引導夾手裝置至所需的位置，而后三個自由度用來決定末端執(zhí)行裝置的方向。在三維空間內，剛體需要六個獨立參數確定其位姿，因此，機器人的任務空間最多需要六個自由度就足夠了，一般不要求機器人具有六個以上的獨立自由度，而過多的自由度就會產生冗余自由度。

冗余度機器人，是指含有主動關節(jié)數多于完成某一作業(yè)任務所需的最少自由度數的一類機器人。其實，如上文所說，六個自由度是具有完成空間定位能力的最小自由度數，而增加的自由度便可改善機器人相關的運動學和動力學特性。

雖說真正產品化的七自由度工業(yè)機器人與傳統(tǒng)的六自由度，甚至更少自由度的工業(yè)機器人相比，無論是從產品種類，還是銷售占比差距都十分明顯。但正是由于其擁有有別于非冗余自由度機器人的冗余特性，使得七自由度的機器人優(yōu)于六自由度機器人，而成為人們關注的焦點，也使得對冗余度機器人的研究變得日趨重要。

七軸機器人廣泛用于醫(yī)療、深海、遙操作等應用場合中。雖說冗余自由度機器人在工業(yè)的應用場合遠不如醫(yī)療機器人、特種機器人的需求那么大，可就在近期，各機器人廠商紛紛發(fā)布最新的人機協(xié)作機器人，它們幾乎全部都采用七個軸的冗余自由度工業(yè)機器人。國際知名機器人廠商紛紛發(fā)力，推出七軸機器人新產品，以搶占高端新市場，這更引發(fā)了我們對于七軸工業(yè)機器人的深入思考。

在機器人歷史沿革中，七軸工業(yè)機器人經歷了怎樣的曲折發(fā)展？冗余的自由度能夠為機器人帶來哪些好處？存在哪些研發(fā)難點？近年來國際上發(fā)布了哪些工業(yè)七軸機器人產品？我國的產業(yè)布局又是如何？這些問題可在本文窺見一斑。

我國研發(fā)始于20世紀90年代初期

上世紀70年代末80年代初，為了更好地解決空間技術難題和先進制造的需要，國外科研人員開始對冗余自由度機器人進行研究。1979年，東京大學便研制了UJIBOT七軸機器人操作手；1987年，日本MITI機械工程實驗室研制了七軸直接驅動型機器人操作手；美國的Robotics Research公司于1987年更是開發(fā)出有兩個七自由度機器人和三自由度組成的機器人系統(tǒng)。

我國對于七軸機器人的科研工作始于20世紀90年代初，而當時項目的領軍人物正是我國已故的著名機器人技術專家、中國工程院院士張啟先，而張啟先院士的主要貢獻之一便是完成了七自由度冗余機器人樣機的研制。

上世紀80年代末，由于研制難度及其之大，國際上研制出七自由度冗余機器人樣機的國家寥寥無幾。而張啟先院士率領課題組經過幾年的艱苦拼搏，在1993年年底完成了首臺七自由度冗余機器人樣機的研制，并一次通過“863”課題驗收和部級鑒定。

此項成果不僅在我國處于領先地位，而且在某些方面還達到國際先進水平。1995年，北京航空航天大學機器人研究所為香港科技大學研制的新型“七自由度機器人”采用了交流伺服電機驅動，而且控制系統(tǒng)更為先進可靠。該樣機在香港科技大學展出后，受到了校方的一致好評。

盡管我國在冗余自由度機器人方面取得一定成果，但主要停留在學術論文、科研報告和實驗樣機的階段，并沒有實現(xiàn)真正的產品化發(fā)展，這無疑制約了我國機器人產品向高端產業(yè)化邁進的步伐。

圖1　中國工程院院士 張啟先

圖2　一種典型的冗余手臂

在制造業(yè)中的應用頗具潛力

對于六軸工業(yè)機器人來說，因其機構屬性，當其末端位姿軌跡規(guī)定之后，不可避免地存在一些問題。比如無法避障、運動靈活性差、不能克服關節(jié)運動極限、動力學性能偏弱等天然弱點。冗余自由度機器人具備獨有的自運動特性，能夠克服傳統(tǒng)機器人的種種弱點。另外，冗余的自由度還具有容錯性，這對于很多特殊環(huán)境的應用場合有著極其重要的實用價值。

在很多特殊的制造業(yè)場合，我們可以利用其冗余的自由度來改善傳統(tǒng)機器人臂的不足，達到仿人類手臂的運動特性和操作靈活性的效果。

實際上，七個自由度是機器人對人類手臂最真實的還原。人體手臂不僅具有采用多種方式完成多種任務的能力，而且針對同一種任務，也可以通過多種方式來完成，而七軸機器人正是具有類人的高度運動靈活性。

在現(xiàn)實的制造工廠中，會存在諸多障礙物較多的狹小場所，如果人們希望機器人避開周圍的障礙物而順利搬運工件的時候，七軸機型就能發(fā)揮其獨有的優(yōu)勢。另外，七軸機器人可做到六軸機器人無法完成的動作，例如固定好工件位置之后只轉動中間一截機器人臂。

再比如，汽車行業(yè)中有將多臺機器人組成緊湊型系統(tǒng)的需求，這時就需要將機器人高密度擺放。六軸機器人由于自由度不夠、避免機器人之間的干涉有局限、在高密度設置時有限制。這種情況時就需要自由度更高的七軸機器人來避免干涉。為了實現(xiàn)焊接的高速化、高質量，雙電極焊接法作為一種方案被提出。在雙電極焊接法中兩個電極都需要沿著焊縫進行焊接，六軸機器人由于其自由度不夠，會有與夾具或工件干涉的問題。使用七軸機器人則可以通過機器人臂姿態(tài)的調整解決這個問題。

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機器人的智能化應用變得越來越廣泛，而機器人智能化的體現(xiàn)，不僅取決于它所具備的智能控制系統(tǒng)，在一定程度上還有賴于機器人的結構特性。而冗余自由度機器人因其自身的幾何結構所具有的高度靈活性，得到了廣泛研究和迅速發(fā)展，已成為機器人技術發(fā)展的一個重要方向。

具備諸多技術優(yōu)勢

到底七軸機器人比六軸機器人強在哪兒？從技術角度看，主要有以下幾個層面。

改善運動學特性

在機器人的運動學問題中，三個問題使得機器人的運動受到非常大的限制。

第一是奇異構型。當機器人處于奇異構型時，它的末端執(zhí)行器不能繞某個方向進行運動，或者施加力矩，因而奇異構型極大的影響了運動規(guī)劃。

圖3　此六軸機器人四軸和六軸共線，發(fā)生奇異

第二是關節(jié)位移超限。在真實工作情況下，機器人每個關節(jié)的運動的角度范圍是受到限制的，最理想的狀態(tài)是正負180度，但是很多關節(jié)是做不到的。另外，七軸機器人可以避免角速度運動過快，讓角速度分配得比較均勻。

表1　新松七軸協(xié)作機器人各軸運動范圍及最大角速度

第三是工作環(huán)境中存在障礙。在工業(yè)環(huán)境下，很多場合存在各種環(huán)境障礙，傳統(tǒng)的六軸機器人無法只改變末端機構的姿態(tài)，而不改變末端機構的位置。

對于機器人的可達工作空間，在此空間內，機器人不但可以保證位置，末端的姿態(tài)也可以保證，是整個工作空間的一個子空間。對應給定的可達工作空間的末端位姿，六軸機器人很難解決以上問題。在工業(yè)應用場合，常常以犧牲末端位姿路徑的跟蹤精度為代價來解決這些問題，而七軸的機器人就可以擴大其可達工作空間的范圍，從而實現(xiàn)壁障、避免奇異構型、在允許范圍內限制關節(jié)位移。這些運動不會引起末端的運動，因此多了的自由度使得七軸機器人可實現(xiàn)自運動。由于七軸機器人的運動學逆解有無窮多個，因此這也使得科研人員能夠充分調動主觀能動性，利用其自運動改善運動品質，完成更多復雜的任務。

改善動力學特性

對于七軸機器人而言，利用其冗余自由度不僅可以通過運動軌跡規(guī)劃達到良好的運動學特性，并且我們可以利用其結構實現(xiàn)最佳的動力學性能。

七軸機器人可實現(xiàn)關節(jié)力矩的再分配，這里涉及到機器人的靜力平衡的問題，也就是說，作用在末端的力，通過一定的算法算出每個關節(jié)承受的力有多大。對于傳統(tǒng)的六軸機器人來說，其每個關節(jié)的力是一定的，它的分配可能很不合理。但是對于七軸機器人來說，我們可以通過控制算法調整各個關節(jié)的力矩，讓薄弱的環(huán)節(jié)承受的力矩盡量小，是整個機器人的力矩分配比較均勻，更加合理。

容錯性

機器人在發(fā)生故障時，如果有一關節(jié)失效，傳統(tǒng)六軸機器人便無法繼續(xù)完成工作，而七軸機器人可以通過重新調整故障關節(jié)速度（運動學容錯）和故障關節(jié)力矩（動力學容錯）的再分配實現(xiàn)繼續(xù)正常工作。

國際廠商競相跟進

目前，無論從產品角度，還是從應用角度，國際上七軸工業(yè)機器人，都僅僅處于初步發(fā)展階段，但各大廠商紛紛在各大展覽會力推相關七軸機器人產品，可以想見對其未來的發(fā)展?jié)摿€是十分看好的。

圖4　KUKA LBR iiwa七軸機器人

圖5　安川電機莫托曼SIA系列機器人

2014年11月，“四大家族”之一德國著名工業(yè)機器人制造商KUKA在2014中國國際工業(yè)博覽會機器人展上，首次發(fā)布KUKA第一款七自由度輕型靈敏機器人LBR iiwa。

LBR iiwa七軸機器人基于人類手臂進行設計，其結合集成的傳感器系統(tǒng)，使該輕型機器人具有可編程的靈敏性，并使其具備了非常高的精確度。而七軸的LBR iiwa所有的軸內均配備高性能碰撞檢測功能、集成的關節(jié)力矩傳感器，以實現(xiàn)人機協(xié)作。

七軸的設計，使得KUKA的該款產品有較高的靈活度，可輕松地越過障礙物。LBR iiwa機器人的結構采用鋁制材料設計，其自身重量只有23.9千克。其負荷有兩種，分別為7千克和14千克，使其成為首款負荷超過10千克的輕型機器人的產品。

日本知名機器人制造商，“四大家族”之一的安川電機也發(fā)布了多款七軸機器人產品。其中SIA系列機器人是輕型敏捷型七軸機器人，該系列機器人能夠提供類人的靈活性，并且能夠快速加速。該系列機器人采用輕量化和流線型設計，使其非常適合安裝在狹小的空間內。SIA系列可提供較高的有效載荷（5千克至50千克）以及較大的工作范圍（559毫米至1630毫米），很適合從事裝配、注塑、檢驗等操作。

圖6　安川電機莫托曼VA1400Ⅱ

除了輕型七軸機器人產品外，安川還發(fā)布了七軸機器人焊接系統(tǒng)，其高自由度能夠盡最大可能保持最適合的姿態(tài)以實現(xiàn)高品質的焊接效果，特別適合內面的焊接，達到最佳的接近位置。并且該產品能夠高密度布局，容易回避其與軸和工件之間的干擾，顯示出其優(yōu)良的避障功能。

2014年11月，ABB在中國推出最新機器人產品YuMi，它是第一款雙臂輕型人機協(xié)作型機器人，而其每個單臂均為七個自由度，機身重量為38千克。其每條手臂的負載為0.5千克，重復定位精度可達到0.02毫米，因此特別適合小件裝配、消費品、玩具等領域。從機械手表的精密部件，到手機、平板電腦，以及臺式電腦零件的處理，對于YuMi來說都不在話下，而這正體現(xiàn)出該款冗余度機器人表現(xiàn)出的擴大可達工作空間、靈活敏捷、精確等種種優(yōu)良特性。

圖7　ABB YuMi機器人（左雙臂、右單臂）

圖8　那智不二越Presto MR20

日本著名機械制造企業(yè)那智不二越已開發(fā)出多款七軸機器人產品。早在2007年底，那智不二越便開發(fā)出七自由度的機器人“Presto MR20”。通過采用七軸設計，使得機器人能夠像模仿人類手臂那樣執(zhí)行更加復雜的工作流程，在狹窄的工作區(qū)域運動。另外，機器人前端部分（手腕）的扭矩增加到了原來傳統(tǒng)六軸機器人的約兩倍左右，標準配置的扭矩為20千克，通過設定動作范圍，最大可搬運30千克的物品，工作范圍達到1260毫米，重復定位精度為0.1毫米。通過采用七軸結構，MR20在機床上取放工件時可從機床側面進行作業(yè)。這樣一來，就提高了事前準備和維護等作業(yè)效率。機床間的空間能夠縮小至傳統(tǒng)六軸機器人的一半以下。

圖9　那智不二越MR35/50機器人

除此之外，那智不二越還發(fā)布了MR35（負載為35千克）、MR50（負載為50千克）兩款可在狹小空間和有障礙物場所的應用場合使用的工業(yè)機器人。

圖10　OTC七軸工業(yè)機器人FD-V6S（左）、歐地希FD-B4S（右）

日本DAIHEN集團歐地希推出了最新的七軸機器人（FD-B4S、FD-B4LS、FDV6S、FD-V6LS、FD-V20S）。由于有第七軸的回轉，它們可以實現(xiàn)像人的手腕一樣的扭轉動作，能夠實現(xiàn)一周以上的焊接；另外，七軸機器人（FD-B4S、FD-B4LS）將焊接電纜內藏于機器人本體，因此在示教作業(yè)時無需在意機器人與焊接夾具及工件間的干涉，動作非常順暢，焊接姿態(tài)自由度也得到了提高，能夠彌補傳統(tǒng)機器人因與工件或焊接夾具的干涉而造成無法進入焊接的缺憾。

Rethink Robotics是一家由著名的MIT教授羅德尼布魯克斯（Rodney Brook）創(chuàng)辦的機器人公司,因創(chuàng)造了工業(yè)機器人的價格神話而聞名。最近推出的新產品瞄準了中國的制造業(yè)市場。其雙臂工業(yè)機器人Baxter，售價僅約2萬美元。

圖11　Baxter機器人

Baxter機器人自重74千克，擁有兩個七自由度機器臂，單臂最大工作范圍為1210毫米。Baxter可同時處理不同的兩項任務以增加適用性，或者實時處理同一任務以實現(xiàn)輸出最大化。

圖12　Sawyer機器人

Sawyer在很多方面與Baxter類似。其柔性關節(jié)采用了相同的串聯(lián)彈性驅動器，但其關節(jié)所采用的驅動器被重新設計，使其更小巧。由于采用了七軸的設計，并且工作范圍擴展至100毫米，因此能完成負載更大的工作任務，載荷可達到4千克，比Baxter機器人2.2千克的有效載荷大了不少。

我國產業(yè)布局幾何

目前，我國絕大多數工業(yè)機器人企業(yè)還尚未發(fā)布七軸工業(yè)機器人產品，其中有一部分表示正在研發(fā)相關產品，會在年內有相關產品問世，而另有一些企業(yè)則表示對七軸工業(yè)機器人產品有關注，但尚未計劃設計研發(fā)相關產品。

作為我國機器人產業(yè)龍頭企業(yè)的新松，于近期發(fā)布了首臺輕型七軸人機協(xié)作型機器人，其自身重量為29千克，負載為5千克，重復定位精度可達到0.02毫米，工作半徑可達800毫米。它具備快速配置、牽引示教、視覺引導、碰撞檢測等功能，特別適用于布局緊湊、精準度高的柔性化生產線，滿足精密裝配、產品包裝、打磨、檢測、機床上下料等工業(yè)操作需要。

存在的主要問題

我國的機器人產業(yè)在七軸工業(yè)機器人的理論研究有了很大進步，而商業(yè)化產品方面仍與國外有較大差距。究其原因，主要有以下兩個方面：

一是自主創(chuàng)新能力弱。缺乏核心及關鍵技術的原創(chuàng)性成果和創(chuàng)新理念，我國工業(yè)機器人總體技術與國外先進水平相比，差距在十年以上。

二是企業(yè)盈利能力較低，研發(fā)資金短缺。核心零部件技術的缺失導致企業(yè)生產成本高企，加之外資廠商紛紛降價，2015年70%以上企業(yè)的本體業(yè)務處于虧損狀態(tài)。

如何解決

針對以上問題，我們提出三項建議：

一是推進創(chuàng)新環(huán)境建設。加強政產學研用合作與對接；建設各種先進機器人技術的實驗環(huán)境；加大資金扶持力度，支持公用技術平臺建設。

二是重視下一代技術和標準。除了當前著手攻克伺服電機、精密減速器等關鍵零部件技術之外，也要重視人工智能、感知、識別、驅動和控制等下一代技術的研發(fā)。

三是壯大機器人產業(yè)人才隊伍。將機器人技術進一步納入相關學科建設體系；著力培養(yǎng)和引進高水平科研帶頭人；運用職業(yè)培訓并通過實際項目鍛煉來培育高技能人才。

圖13　新松柔性多關節(jié)機器人