深度 | 一文帮你搞懂协作机器人的前世今生
给大家说个冷知识——
协作机器人其实是个「95后」。
最早是在1996年，美国西北大学的两位教授J. Edward Colgate和Michael Peshkin提出了协作机器人概念。
J. Edward Colgate教授和Michael Peshkin教授
然而，世界上第一款协作式机器人却不在美国诞生。
2008年，丹麦优傲公司研制的UR5协作机器人交付使用，这让任何人操作机器人手臂成为现实。
之后在2012-2015年间，国外协作机器人品牌风起云涌，美国Rethink、德国库卡、瑞士ABB、日本发那科、日本安川等公司相继推出。此时的国内市场还处于早期阶段。
不过在2015年之后，国内机器人厂商仿佛打通了「任督二脉」，率先走起了花路。
以思灵、珞石、非夕等为代表的企业，将力控技术用于机器人柔顺控制中，引领了第二代协作机器人的快速发展。
国内外重点企业发布协作机器人产品概况
数据参考：赛迪先进制造业研究中心
不得不说，在协作机器人领域，不到最后谁都猜不到结局。
那么，协作机器人究竟是什么？有哪些种类和应用？二代协作机器人存在哪些发展瓶颈？未来的技术趋势会是什么？小智将在下文与大家深入探讨。
这些都是「协作机器人」
协作机器人，其实是一种能与人类在共同空间工作、近距离互动的机器人。
简言之，就是能和人类一起「干活」。
主要由机器人本体、中空力矩电机、谐波减速机、伺服驱动器、控制器组成。按照结构形式、载荷大小、力感知方式以及机器人轴数的不同，协作机器人可以分为十多种。
协作机器人分类
不同结构的协作机器人
主要是单臂、双臂两种形式。单臂协作机器人只有一条手臂，是机械臂中最常见的形式。由于布置灵活、控制简单，广泛应用于各种行业场景。
双臂协作机器人拥有冗余的动作空间，高效灵活，适用于需要交互协作的负载应用，或者在有限空间完成多动作的场景，如双手拧瓶盖的协同动作。相应地，双臂设计会带来成本增加和控制的复杂性。
ABB双臂协作机器人Yumi示意
不同载荷的协作机器人
受应用场景和结构特点的限制，协作机器人载荷一般不会超过20kg。
我们通常将轻载协作机器人的载荷定义在3-10kg，重载协作机器人载荷在10kg以上，桌面级协作机器人载荷小于3kg。反之则不成立，比如小于3kg的机器人不一定是桌面级机器人。
轻载协作机器人是目前最常见的协作机器人，主要用于消费电子、测试、医疗及服务行业；重载协作机器人常用于装配、搬运、码垛、包装等工业场景；桌面型协作机器人则应用于分拣、点胶、涂胶、自动化测试等工作场景。
不同力感知形式的机器人
力感知是协作机器人实现交互的基本功能，也是最重要的功能之一。主要分为电流环、关节扭矩、六维力/力矩传感器（简称六维力传感器）、电子皮肤这四种感知形式。
其中，基于电流环的感知形式是最早期的一种，通过机器人的伺服系统直接获取机器人各关节电机电流，再通过电机厂商提供的转矩系数，计算出各关节的输出力矩。
这种方法经济简单，在机器人本体厂商中广泛使用。由于无法获取精确的外力，常用于碰撞检测以及简单的拖动示教。
图源：节卡机器人
基于关节扭矩传感器的力控机器人，在近几年比较热门。扭矩传感器与多圈编码器、单圈绝对值编码器构成当前流行的柔性关节，再通过扭矩传感器直接输出各关节轴的扭矩。
相比电流反馈方式，这种具有更高的精度和反馈频率，易于实现机器人的柔顺控制，在精密装配、打磨、手术、按摩等场景都有应用。
但是扭矩传感器的使用，会降低关节刚度以及机器人轨迹运动精度，结构集成也给设计制造增加了难度。
图源：Franka Emika
基于六维力传感器的力感知机器人，原理是利用外装于机械臂末端或底座的六维力传感器，来感知外界环境。
可以将不具备力感知能力的机械臂改装成力控机器人，且对机器人本体不产生影响，具有较高的测量精度。
局限是算法复杂，控制频率相对不高，仅测量末端的六维力，机器人本体无法实现碰撞检测功能的，价格也比较昂贵。
图源：节卡机器人
基于电子皮肤的力感知机器人，需要在机器人「皮肤」下布置多个压力传感器，增加了布线和设计的难度，维护成本较高。目前仅用于碰撞保护方面，离商用还有较大距离。
不同轴数的协作机器人
根据机器人轴数的不同，一般分为6轴机器人、7轴机器人，以及欠自由度机器人（＜6轴的机器人）。
事实上，6轴机器人已经具备完整的自由度，能够到达空间任意点，具有较好的通用性，主流厂商基本以生产6轴机器人为主。
但随着协作机器人应用拓展，一些特殊应用场合对机器人轴数提出了新要求。
比如，机器人的工作空间中存在障碍物，恰好位于目标点和机器人本体之间，这时常规6轴机械臂无法绕过障碍物，实现目标点的指定姿态作业，7轴协作机器人就诞生了。
同样，在特定的工作场景，完成简单重复的功能也不需要6轴机器人。如工业分拣、喷涂、检测等工作，小于6轴的机器人足以胜任。
越疆MG400桌面型机器人即为四轴
协作机器人的「困」与「变」
近二十年的时间，协作机器人已经从第一代传统协作机器人，发展为以国产品牌为代表的第二代柔性协作机器人。
据《2022年中国协作机器人技术发展报告》显示，2021年，国产协作机器人在中国的占有率超过90%。
更具柔性和智能的柔性协作机器人，在打磨、精密装配、检测、医疗手术等行业有着很好的应用前景。但在抢占市场的过程中，厂商们普遍面临着困境：
1.与传统工业机器人相比，价格偏高
受制于无框电机、谐波减速机、控制器等核心零部件，价格普遍偏高，难以真正进入到相关行业和领域，终端用户的投资回报率难以平衡。
2.精度和速度低，在产线推广应用难
与传统工业机器人相比，其负载小、刚性差，精度低，难以适应节拍较快的工业应用场景。
3.上下游产业链尚处于初级发展阶段
上游核心零部件受头部企业垄断、发展缓慢，下游应用领域不清晰，产业规划不完善，推广应用慢。
4.同质竞争激烈，关键技术有待发展
国内外协作机器人厂商超过一百多家，产品同质化竞争严重，机器人算法、力控等关键技术亟待发展。
机遇往往与挑战亦步亦趋。在未来市场需求的驱动下，我们认为协作机器人将有如下发展趋势：
1.匹配满足应用需求的力控性能
协作机器人自适应、柔性、共融等能力将显著提升。一是视觉、触觉、听觉等多维感知应用，提高机器人智能化水平；二是力传感器、视觉、AI算法三者相结合，提升机器人抗干扰能力，快速适应工作场景的迁移。
2.本体设计优化，负载自重比提升
在结构设计上，机器人将朝着集成化、模块化方向发展。如一体化关节技术、双关节模组、无柜设计等推广应用，由7轴设计到按需设计多轴。
同时，对洁净度的要求也会提升，具备更高的防护等级，甚至使用食品级材料。
3.快速部署，与移动式机器人集成
协作机器人将跳出工业应用场景，横向迁移至更多领域。如集成AGV，适应配送、服务领域……
三十年河东，三十年河西。
起步较晚的国产机器人，通过新技术的运用，在协作机器人领域完成了弯道超车。
由此可见，技术才是硬实力。掌握核心技术，仍将是未来协作机器人「头把交椅」竞争的关键。
而身为擂主的我们，稳住，就能赢。