葉金培 王宏寬 江子杰

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

目前國內(nèi)用于工業(yè)生產(chǎn)的一般都是工業(yè)機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人在市場上的占比相對較小，而且協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用主要都是單臂的協(xié)作機(jī)器人?，F(xiàn)在國內(nèi)做雙臂協(xié)作機(jī)器人的公司也十分少，真正能夠應(yīng)該到生產(chǎn)的更少之又少，大多數(shù)都停留在研究階段?，F(xiàn)在國內(nèi)企業(yè)關(guān)于協(xié)作機(jī)器人的研究都集中在單臂機(jī)器人上，雙臂協(xié)作機(jī)器人的研究比較少。中國電器科學(xué)研究院有限公司業(yè)務(wù)領(lǐng)域的家電工廠目前自動化程度較低，還需要依靠大量的人工進(jìn)行家電產(chǎn)品的裝配調(diào)試，而且家電產(chǎn)品的裝配也是比較復(fù)雜，這也成為家電生產(chǎn)線自動化率低的重要原因之一。所以，研究開發(fā)出一款靈活協(xié)調(diào)的協(xié)作機(jī)器人是十分有必要的。讓自主開發(fā)的雙臂協(xié)作機(jī)器人導(dǎo)入到我們的家電工廠，部分替代或者完全替代某些人工操作工位，節(jié)省人工成本，提高我們家電工廠的自動化率與科技感。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國外協(xié)作機(jī)器人發(fā)展概況

大數(shù)據(jù)熱、云計(jì)算熱等的崛起使人工智能開始成為工業(yè)的主要開發(fā)對象，同時，人工智能未來會推動工業(yè)機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級換代，人機(jī)協(xié)作與人機(jī)共融引領(lǐng)自動化發(fā)展的主流趨勢。隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，協(xié)作機(jī)器人成為整個自動化行業(yè)的風(fēng)口。2016年開始，協(xié)作機(jī)器人在全球的銷量開始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。同年，其的銷售量已經(jīng)突破了1萬臺，同比增長率超過90%。與此同時，協(xié)作機(jī)器人仍然在剛起步的發(fā)展階段，很多廠商都在經(jīng)歷著產(chǎn)品開發(fā)、試錯、優(yōu)化，再設(shè)計(jì)，隨著技術(shù)路線的不斷變更，使得設(shè)計(jì)方案也在不斷優(yōu)化。在新產(chǎn)品、新模式快速更新?lián)Q代的情況下，使整個協(xié)作機(jī)器人行業(yè)迅速進(jìn)入優(yōu)勝劣汰的階段。2017～2019年，從全球協(xié)作機(jī)器人銷量規(guī)模來看，這類產(chǎn)品市場銷量增速明顯放緩。截止至2019年，全球銷量為3萬臺，同比增長36.4%。協(xié)作機(jī)器人的海外銷售規(guī)模表明，全球2019年協(xié)作機(jī)器人的銷售總額達(dá)到50億元，同比增長31.6%[1]。

目前全球協(xié)作機(jī)器人品牌競爭激烈，目前，丹麥的Universal機(jī)器人公司是全球領(lǐng)先的協(xié)作機(jī)器人生產(chǎn)公司。根據(jù)Universal機(jī)器人公開的數(shù)據(jù)，目前全球Universal協(xié)作機(jī)器人銷售總量累計(jì)已突破3.7萬臺，市場占有率居該領(lǐng)域的市場首位。不過，隨著ABB、Kuka、FANUC、Yaskawa等傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人企業(yè)開始進(jìn)行協(xié)作機(jī)器人的相關(guān)開發(fā)，此類市場的競爭變得越發(fā)的激烈。

1.2 國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人發(fā)展概況

由于中國老齡化問題的出現(xiàn)，適齡勞動人口的數(shù)量不斷減少，使得人力方面的成本大幅度提升，國內(nèi)勞動密集型的企業(yè)越來越傾向于選擇機(jī)器人來替代重復(fù)的勞動力。智能協(xié)作機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人相比，其優(yōu)勢在于協(xié)作機(jī)器人具有使用成本低、整體重量輕、安全等級高等特點(diǎn)。對此，勞動力結(jié)構(gòu)的加快調(diào)整會提高對協(xié)作機(jī)器人的相關(guān)市場需求。并且，隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)制造業(yè)與自動化控制、人工智能等新型技術(shù)相互結(jié)合，勞動密集型企業(yè)對智能制造、無人工廠、信息化等先進(jìn)技術(shù)也表現(xiàn)出十分的渴求。目前根據(jù)協(xié)作機(jī)器人的影響力，機(jī)器人能夠滿足人機(jī)交互、柔性化生產(chǎn)以及智能制造的現(xiàn)代工業(yè)需求，并且擁有廣闊的市場前景。僅僅2019年，我國協(xié)作機(jī)器人的市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)13億元，相比同期增長42.9 %。在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人市場不佳的情況下，協(xié)作機(jī)器人仍然保持增長態(tài)勢。

近年來，我國的協(xié)作機(jī)器人，通過不斷加強(qiáng)技術(shù)優(yōu)化以及產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，一步步打破國外協(xié)作機(jī)器人的市場壟斷，其中大族、達(dá)明、珞石、節(jié)卡、遨博、新松國產(chǎn)自主品牌，在協(xié)作機(jī)器人市場份額持續(xù)增長。

目前制約我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸是核心零部件缺失，為保障協(xié)作機(jī)器人的靈活性、安全性及生產(chǎn)柔性，目前大多數(shù)企業(yè)使用了如伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)、安全控制器、扭矩傳感器、安全控制器等眾多傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人沒有的零部件。我國在機(jī)器人行業(yè)上存在較大技術(shù)空白。如果在開發(fā)制作的過程中完全采用進(jìn)口品牌的核心零部件，我國協(xié)作機(jī)器人的生產(chǎn)制造成本將會大幅提升，完全沒有價格優(yōu)勢。

當(dāng)前，協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，按照控制器預(yù)設(shè)的程序算法來實(shí)現(xiàn)規(guī)定動作，其精度的好壞與核心零部件加工制造精度有著巨大的關(guān)系。當(dāng)生產(chǎn)切換場景時，需要人工重新設(shè)定原點(diǎn)，調(diào)試新的機(jī)械臂運(yùn)動軌跡。由于AI技術(shù)的迅速進(jìn)步，激光、視覺識別、深度學(xué)習(xí)將成為協(xié)作機(jī)器人的新中樞。這些先進(jìn)技術(shù)使其可以進(jìn)行自主判斷、自主學(xué)習(xí)、自主感知、并進(jìn)行分析從而進(jìn)行決策以及人機(jī)交互的能力。引入智能算法技術(shù)，對機(jī)器人的行動誤差進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，這樣可以提高協(xié)作機(jī)器人的適用范圍[1]。

2 研發(fā)內(nèi)容

人機(jī)協(xié)作機(jī)器人不僅可以擁有人的特長，也可以擁有機(jī)器的特長。它不但可以不停地進(jìn)行相同的物理性動作、邏輯推理和思維，而且可以在繁雜的環(huán)境下進(jìn)行判斷并下決策[2]。其協(xié)作性主要表現(xiàn)在信息交互，可以讓人和機(jī)器進(jìn)行物理接觸，進(jìn)行信號交換，亦可以通過HMI。人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的基本操作主要有四點(diǎn)：第一、雙臂需要靈活操作；第二、人可以直接對機(jī)器人進(jìn)行操作；第三、人與設(shè)備的安全因素，因?yàn)槭菣C(jī)器人與人類是在同一個環(huán)境下工作的；第四、直接接觸。就是在機(jī)器人和工作場景之間、機(jī)器人的左右手臂，還有機(jī)器人和操作工人之間。其中，接觸操作要比現(xiàn)在一般工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用要復(fù)雜得多，所以我們應(yīng)該全面重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的算法、程序，操作、硬件、控制和軟件等。

雙臂機(jī)器人最主要的組成部分是關(guān)節(jié)、控制部分、軟件系統(tǒng)。一個先進(jìn)的機(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)該部分包含力矩傳感器，電機(jī)控制器，電機(jī)和減速機(jī)等基本組成部分。

具體研究內(nèi)容如下：

1）雙臂機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)。關(guān)節(jié)示意圖如圖1所示。研究關(guān)節(jié)內(nèi)部的電機(jī)、減速機(jī)、編碼器、力矩傳感器、電流傳感器等的綜合控制，使整個控制系統(tǒng)流暢和諧地運(yùn)行。掌握各零件的安裝方式，裝配關(guān)系，安裝連接的設(shè)計(jì)點(diǎn)，對于電控元器件，要了解其控制方式，輸入輸出口和各項(xiàng)參數(shù)等。通過半年時間的研究，協(xié)作機(jī)器人現(xiàn)在比較適合的是使用中空伺服電機(jī)配合諧波減速機(jī)進(jìn)行控制。伺服電機(jī)能夠擺正運(yùn)行的精度，可控制關(guān)節(jié)準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)。采用諧波減速機(jī)可以增加機(jī)器人的負(fù)載。諧波減速機(jī)比傳統(tǒng)的齒輪減速機(jī)具有更大負(fù)載，而且在正反轉(zhuǎn)的誤差更小，其結(jié)構(gòu)也緊湊，最為適合用作協(xié)作機(jī)器人人的關(guān)節(jié)減速機(jī)。也是因?yàn)橹C波減速機(jī)的回轉(zhuǎn)誤差小，所以在機(jī)器人零力拖拽功能的時候控制更加平穩(wěn)和可靠。

圖1 關(guān)節(jié)示意圖

2）基于Ethercat總線通訊的雙臂協(xié)作機(jī)器人的控制技術(shù)。目前機(jī)器人的控制是用Ethercat總線通訊的，所以整機(jī)控制設(shè)計(jì)時也是采用Ethercat總線通訊，這樣在最大程度上保留原有的通訊方式，而且可以再現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，目前雙臂協(xié)作機(jī)器人的整機(jī)通訊也是基于Ethercat總線通訊。上位機(jī)通過Ethercat總線和PLC通訊進(jìn)行精準(zhǔn)控制。通訊無延遲，精準(zhǔn)控制。

3）雙臂協(xié)作機(jī)器人在家電生產(chǎn)線、汽車生產(chǎn)線上的應(yīng)用，提高生產(chǎn)線的自動化和安全性。定位于冰箱涂膠場景，設(shè)計(jì)膠槍安裝在機(jī)器人末端，人工拖拽示教后軌跡復(fù)現(xiàn)，讓機(jī)器人走人工示教的涂膠路徑，配合機(jī)器人控制系統(tǒng)，輸出涂膠控制程序，實(shí)現(xiàn)冰箱門自動涂膠。定位場景二是汽車車門焊裝，目前大部分車門組裝都是采用人工涂膠或者三軸涂膠。人工涂膠效率低，質(zhì)量不可控。三軸涂膠面對一些復(fù)雜曲面時調(diào)試相當(dāng)困難，需要長時間的調(diào)試，而且采用三軸涂膠同樣需要采取安全措施，防止工人受傷。采用雙臂協(xié)作機(jī)器人，可以靈活進(jìn)行涂膠工作，而且不需要設(shè)置安全裝置。協(xié)作機(jī)器人萬一碰到工人也會自動停止不會產(chǎn)生傷害。更加適合現(xiàn)有的應(yīng)用場景。

4）基于ROB（Robot Operating System）架構(gòu)的雙臂協(xié)作機(jī)器人操作系統(tǒng)研究。軟件部分主流是工控機(jī)采用Linux系統(tǒng)來控制，主要的操作系統(tǒng)架構(gòu)采用ROS（Robot Operating System）。ROS是用于編寫機(jī)器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構(gòu)。它包含了大量工具軟件、庫代碼和約定協(xié)議，旨在簡化跨機(jī)器人平臺創(chuàng)建復(fù)雜機(jī)器人行為。主體消息采用TCP/IP傳輸統(tǒng)籌各節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)作，可以處理異步數(shù)據(jù)流和同步數(shù)據(jù)流。ROS軟件平臺用于其他自動化設(shè)備上，如物料傳遞的兩軸或者四軸的機(jī)器臂上。研究的工控機(jī)可以在CNC設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用，與各運(yùn)動部進(jìn)行EtherCat總線通訊，負(fù)責(zé)相關(guān)的運(yùn)動軌跡。

5）協(xié)作機(jī)器人人體工程學(xué)研究。設(shè)計(jì)出一款符合人類審美，同時滿足相關(guān)力學(xué)計(jì)算需求的機(jī)器人，以此作為機(jī)器人外觀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。機(jī)器人設(shè)計(jì)圖如圖2所示，機(jī)器人樣機(jī)如圖3所示。

圖2 機(jī)器人設(shè)計(jì)圖

圖3 機(jī)器人樣機(jī)

2.1 示教技術(shù)的研究

目前大多數(shù)機(jī)器人還需要使用示教器進(jìn)行示教，示教速度較慢，需要專業(yè)工作人員才能操作，這對于機(jī)器人的導(dǎo)入是十分不便的。所以，結(jié)合現(xiàn)有成熟的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，與協(xié)作機(jī)器人的控制相融合，研發(fā)出一套更加成熟的控制系統(tǒng)。開發(fā)人機(jī)示教功能，普通的操作人員直接拉動機(jī)器人在工件上進(jìn)行路徑的規(guī)劃，操作人員可以根據(jù)實(shí)際需求拖拽著機(jī)器人手臂配合工具在工件上進(jìn)行操作，機(jī)器人在人機(jī)示教功能下會根據(jù)拖拽的力度給出相應(yīng)的運(yùn)動速度，這個反向運(yùn)動速度跟人移動的速度一致，所以操作人員不會感覺到吃力，通過算法優(yōu)化，操作人員甚至以自己都感覺不到的力量就能完成拖拽示教，控制器自動記錄路徑，完成示教后，操作人員只需要在示教器上點(diǎn)按保存路徑按鈕即可完成路徑記錄，這樣需要整機(jī)調(diào)試的時候只需要確定原點(diǎn)和起始點(diǎn)就能完整地完成調(diào)試工作了，大大降低了機(jī)器人示教的難度和提高了示教的效率。

2.2 機(jī)器人負(fù)載與協(xié)作安全性關(guān)系的研究

使用兩個單臂負(fù)載為5 kg的協(xié)作機(jī)器人，根據(jù)現(xiàn)有的成熟協(xié)作機(jī)器人我們自行搭建設(shè)計(jì)一套雙臂協(xié)作機(jī)器人，在保證其協(xié)作安全性的前提下，成倍地提高了機(jī)器人的負(fù)載。開發(fā)一套全新的控制技術(shù)，使兩個單臂協(xié)作機(jī)器人能夠用一套控制器進(jìn)行控制，每個機(jī)械臂的力矩報(bào)警跟原來還是一樣的，但是負(fù)載就增加了一倍。在機(jī)器人腰部再增加一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，使機(jī)器人的柯達(dá)范圍更廣，實(shí)現(xiàn)安全高可靠性的工作。在控制方面，不去改變每個關(guān)節(jié)的力矩報(bào)警值，同時將機(jī)器人兩個手臂的十二個軸和腰部的軸聯(lián)動控制，任何一個關(guān)節(jié)報(bào)警，整機(jī)都會停止運(yùn)作。這個技術(shù)解決了機(jī)器人負(fù)載與協(xié)作能力的矛盾，提高了協(xié)作機(jī)器人的負(fù)載但又不影響其協(xié)作功能。完善了控制技術(shù)的漏洞，使協(xié)作機(jī)器人的故障率大大降低。

2.3 基于ROB（Robot Operating System）架構(gòu)的雙臂協(xié)作機(jī)器人操作系統(tǒng)研究

開發(fā)一套基于ROB（Robot Operating System）架構(gòu)軟件，開發(fā)友好的人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的布置、視覺匹配、機(jī)器人示教等，解決了機(jī)器人行動軌跡發(fā)生變化時，需要人工編程的問題，有效降低了調(diào)試時間以及學(xué)習(xí)成本。軟件部分主流是工控機(jī)采用Linux系統(tǒng)來控制，主要的操作系統(tǒng)架構(gòu)采用ROS（Robot Operating System）。ROS是用于編寫機(jī)器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構(gòu)。它包含了大量工具軟件、庫代碼和約定協(xié)議，旨在簡化跨機(jī)器人平臺創(chuàng)建復(fù)雜機(jī)器人行為。主體消息采用TCP/IP傳輸統(tǒng)籌各節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)作，可以處理異步數(shù)據(jù)流和同步數(shù)據(jù)流。ROS軟件平臺用于其他自動化設(shè)備上，如物料傳遞的兩軸或者四軸的機(jī)器臂上。研究的工控機(jī)可以在CNC設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用，與各運(yùn)動部進(jìn)行EtherCat總線通訊，負(fù)責(zé)相關(guān)的運(yùn)動軌跡。通訊架構(gòu)示意圖如圖4示，智能機(jī)器人軟件系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 通訊架構(gòu)示意圖

圖5 智能機(jī)器人軟件系統(tǒng)

2.4 多關(guān)節(jié)協(xié)作示教技術(shù)的研究

協(xié)作機(jī)器人可以自動控制和進(jìn)行編程，同時可和工人在一個工作區(qū)域中產(chǎn)生近距離的交互并進(jìn)行協(xié)同作業(yè)的智能機(jī)器人。相比于傳統(tǒng)機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人不僅能應(yīng)用于工業(yè)場景的限制，并且它憑自身輕量化、靈活性、方便控制性、快速配置性、工作空間限制性小的特點(diǎn)，在醫(yī)療、教育培訓(xùn)、新零售等服務(wù)業(yè)場景中的潛力無限。使用自主設(shè)計(jì)的拖拽示教功能，解決了目前機(jī)器人示教難和慢等問題，同時也降低了機(jī)器人操作員工的要求，一般工作人員經(jīng)過簡單的培訓(xùn)也能快速掌握機(jī)器人的使用與調(diào)校。但由于在示教過程中，給定點(diǎn)位信息，機(jī)器人也可以存在無數(shù)種姿態(tài)，在一些簡單的場景下，機(jī)器人的姿態(tài)對工作是不影響的。但是在某些環(huán)境下，機(jī)器人的姿態(tài)需要調(diào)整避免與工件干涉，所以，各個關(guān)節(jié)必須能夠自我調(diào)整，在機(jī)器人臂碰到或者將要碰到的時候會反饋信號到主機(jī)控制器，控制器用算法優(yōu)化，自動調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，同時保證TCP不變，不影響實(shí)際的工具坐標(biāo)和現(xiàn)有的點(diǎn)位。

3 協(xié)作機(jī)器人先進(jìn)性

1）應(yīng)用場景可迅速轉(zhuǎn)換；當(dāng)工作場景切換后，機(jī)器人更換夾具后不需要專業(yè)的調(diào)試工作人員用示教器進(jìn)行示教，只需要使用協(xié)作機(jī)器人的零力拖拽示教功能就可以了。普通工人直接拖拽手臂進(jìn)行路徑規(guī)劃，機(jī)器人直接記錄并復(fù)現(xiàn)，提高了示教的效率。

2）內(nèi)置視覺軟件和相機(jī)；在雙臂機(jī)器人的頭部增加視覺模組，對工件進(jìn)行拍攝取樣，快速精確地獲取工件信息，精確定位。

3）可與人協(xié)同工作，安全可靠；協(xié)作機(jī)器人可以與工人共同在同一區(qū)域進(jìn)行工作，無需安全圍欄，即使機(jī)器人碰到工人也會立即停止，而產(chǎn)生的碰撞力也是人類可以接受的，不會導(dǎo)致受傷。

4）編程簡單易操作，可示教學(xué)習(xí)；采用模塊化指令，直接調(diào)用，在線編程只需要拾取關(guān)鍵點(diǎn)就能自動生成所需要的路徑，結(jié)合零力拖拽示教功能，更加方便快捷。

4 總結(jié)

協(xié)作機(jī)器人的開發(fā)，填補(bǔ)了工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)4.0進(jìn)程上的一個短板，他可以靈活替代工人勞動而且可以安全地與工人一起協(xié)同工作，動作比傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人可以更加靈活靈敏。同時，協(xié)作機(jī)器人也是傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械感大大降低，協(xié)作機(jī)器人外形更像人類手臂，而且協(xié)作機(jī)器人各關(guān)節(jié)具有安全力矩反饋，是得機(jī)器人本人對安全有了“感覺”，能夠保障協(xié)作機(jī)器人身邊的人以及設(shè)備，不再像工業(yè)機(jī)器人一樣機(jī)械地運(yùn)行程序。開發(fā)一套成熟的協(xié)作機(jī)器人，在不久的將來就能和諧地與人類共同工作，替人類完成笨重而危險(xiǎn)的工作，甚至能替代人類完成工作。