引言

    随着我国人口红利的消失以及《中国制造2025》规划的出台，中国已连续3年成为全球最大工业机器人市场。机器人产业迎来了前所未有的机遇。

    但目前工业机器人还存在着不少问题：①机器人基本靠离、在线编程完成预先设定的动作，智能化程度不高；②由于环境自适应性差、结构笨重、运行噪音大，为保证安全，机器人基本工作在隔离网内，缺少人机交互；③机器人安装调试周期长，不适应企业对客户的快速响应和市场变化；④机器人成本较高，企业一次性投入负担比较重。

    为此，美国、欧洲、日本等发达国家把开发能与人类协同工作的下一代协作性机器人作为主攻方向，利用物联网、大数据、人工智能等技术实现机器人的自主感知、规划、学习、和决策能力，使机器人能够根据环境与任务的变化，执行正确的动作，实现人与机器人协调工作。

1 人机协作机器人的主要优势

    人机协作机器人具有以下几个优势：①通过多传感器融合，提高机器人智能水平，使编程更加简单，提高环境适应性；②结构灵巧、低功耗、低噪声，无需安全围栏实现人机并肩工作；③小型、轻巧、可移动、安装方便、即插即用，为用户降低成本；④使用范围广，不仅可以用在工业制造领域，也可以用在家庭服务、休闲娱乐场合，图1为国际上典型的几个人机协作机器人。

    图1 人机协作机器人

    德国DLR、美国NASA等机构从20世纪80年代开始研究空间机器人，并将轻量、灵巧的机器人应用推广到民用领域。丹麦Universal Robots推出的三款系列UR机器人是目前协作机器人商业化最好的，并且发展迅速，这种机器人重量很轻，易于安装，具有非常直观的编程功能。ABB的人机协作双臂工业机器人YuMi，采用双臂设计具有视觉和触觉传感器，每个手臂有7个轴并以软性材料包裹，可以扩大工作范围精度达到0.02mm，同时配备力传感，只要碰到人类可在几毫秒内停止，可在开放环境中与人类一起工作。KUKA的LBR iiwa有7个轴，能够在适"-3位置进行操作和柔性控制，其所有的轴中都具有高性能碰撞检测功能和集成的关节力矩传感器。

2 闲内协作机器人的主要问题

    2.1 核心零部件依赖进口，导致安全性和精度较小、可靠性和稳定性差

    机器人核心零部件主要包括电控系统、伺服电机和减速机。与之对应的三大关键核心技术。主要掌握在日本发那科、日本安川、德国KUKA和瑞士ABB等少数国外机器人企业手中、这导致了国内企业由于在精度、可靠性和稳定性等方面难以与前者匹敌，还很难被用户信任。

    机器人的核心部分中，本体、伺服、减速器、控制器，大多数都不很成熟，7轴机器人作为技术含量最高的机器人，国内暂时没能达到很成熟的地步。机器人技术成熟的企业，机器人寿命可达10年以上，而技术不过关的企业，寿命2-3年。因此国产机器人寿命基本为国外的一半。同时，国产安全控制器无法实现国产化，为了节省成本，多数厂家会选择以面向流程为主的安全工业PLC，无法实现机器人某些专用的安全功能，例如速度限制、力矩限制、空间限制。

    2.2 因安全性设计带来的精度减低

    协作机器人为了降低碰撞造成的损失，整个机器人的速度和重量必须被限制在一定的范围内，所以协作机器人的速度普遍部很慢，负载也较低，较小的自重导致刚性比传统机器人
差很多，重复定位精度比一般的传统机器人要低一个数量级。

3 关键技术

    安全、精度及可靠性对策解析：

    3.1 人机协作安全解决厅案

    人机协作的安全控制方案无非两种，一种是基于外部监控的外部控制系统方案，另一种则是基于机器人本体设计的内部控制系统方案。

    (1)区域监控方案：激光距离传感器

    大部分情况下，人类与机器人协同工作时，都要在机器人或者其所在的环境中安装激光距离传感器等，用于监控机器人的整个工作区域。

    (2)轻量型设计方案：机器人本体轻量化

    轻量型设计也是人机协作安全的一个可行方案，通过减轻机器人的机身重量，可以有效地降低其对人体的冲击，从而确保人机协作的安全。

    (3)“本质安全”方案：弹性驱动系统

    Rethink Robotiecs公司的Baxter采用弹性驱动，相比于刚性驱动，弹性驱动更加符合安全要求，就像被弹簧弹中和被硬物击中的差别一样、核心技术为串联弹性驱动器(SEA)，SEA包括一台电机、一个齿轮箱和一个弹簧SEA的工作方式是通过测量弹簧的压缩量来控制力的输出，对于弹簧压缩量的测量就是一个力传感器。

    (4)力受限方案：运动控制系统

    对于力受限的协同机器人进行风险评估时，如果机器人调试到合理的力量和速度，潜在伤害的严重程度可以降低。

    例如Universal Robots公司的UR系列机器人，其重量只有18kg，其专利传感器技术帮助其实现功率和力的限制功能。机器人知道使用多少力就足以提起负载并移动它，当它发现移动过程中所需的力矩或者力过高，例如在发生碰撞事故时，机器人手臂就会安全关断不会造成伤害事故。

    以上，就是工业机器人人机协作安全问题的几个典型的解决方案，这几个方案在机器人集成中并非独立应用，而是互相渗透加持。而在未来，随着人工智能的全面发展，未来工业机器人或将和智能机器人一样，具有更加智能的安全防护功能，从而在高效生产过程中保障工人安全。

    3.2 高精度措施

    (1)高精度减速机、伺服电机。提高机器人精度国外有成熟解决方案，国内主要差距在减速器和伺服电机。

    (2)目前国内因核心部件所限，提高精度主要策略是采用高精度控制方法。想要达到较高的位置精度，需要控制系统提供以下功能：补偿机械连杆的运动学参数误差，如连杆加工误差、装配误差、机械公差等；补偿关节柔性及连杆柔性；提供高精度的机械零点标定功能。

    3.3 可靠性措施

    目前国内外机器人为了持久耐用，大多用的是日本的HD谐波减速机，国产的有绿的机器人减速机，能够做到2万h工作不影响重复精度； 国产的电机在材料和生产工艺上一直是个短板，广州数控在6轴机器人上有部分应用，但寿命与国外仍有一定差距；伺服驱动一般是跟电机配套，做的比较好的是深圳汇川等；国产的控制器主要有固高，众为兴等等。

4 总结

    本文通过对国内协作机器人痛点的分析，总结了国内协作机器人存在的问题，并针对问题提出协作机器人安全、可靠性、精度的主要解决方案。

    总之，国内机器人核心零部件(控制系统、伺服系统、减速器)整体落后日本10-20年，三大核心零部件一直没有得到很好的解决，在成本及性能上制约着机器人国产化的发展，国产零部件与国外差距至少十年，仍有较长路走。