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自从17年开始写公众号以来，DELTA、SCARA、六轴都已经写过了，在大的门类中，就只剩下协作还未写过，没错，这一期我们来聊聊协作机器人。 个人认为，就目前而言，协作机器人并不存在，或者说目前还处于协作机器人的初级阶段，只不过在机器人行业几十年未有突破的情况下，“协作”这个概念引爆了一个风口，但凡能拖拉示教与碰撞检测功能的机器人都敢自称协作机器人。 协作虽假（或者说协作虽未到火候），但协作机器人所引出的模块化、轻量化的概念却有实实在在的现实意义。 目 录 协作机器人介绍 协作机器人的门派之分 协作机器人的典型结构 协作机器人的应用 ; x J( C& k; L' T
结语
" K) R( X# A4 R8 g* ? 协作机器人介绍 关于什么是协作机器人，网上已经有大量文章描述了定义与愿景，这里不废话，按照ISO/TS 15066文档中对机器人的描述是“为能够与人员在协作工作区内直接交互而设计的机器人”，用老百姓的话说，这货不是猪队友，跟他在一起玩时，他既不会自爆也不会爆你，大家手牵手，都是好朋友。  ISO的定义强调两个关键词：“协作工作区”和“直接交互”。协作，安全为先，所以ISO 10218自然更强调协作机器人是安全的，所以才能实现机器人与人共享协作工作区，但是什么安全，ISO就说不清了，只有一句“不应该产生伤害”的概述。那么什么叫伤害，这谁说得清，相同的力道一拳过去，练家子可能啥事儿没有，一般人可能就晕过去了。  这也难怪，毕竟标准总是落后于现实，ISO 15066 也是2016年才发布这么一个初稿，后续要细化还有很长的路要走。也正是因为标准的模糊，所以只要去掉围栏，只要能拖动示教，只要有碰撞检测，只要看起来像协作，都自称协作机器人。说得更直接点，现在的现象是，只要看起来像UR，都是协作机器人。 协作机器人的门派之分 都是实现人机协作，都是为了去掉传统的围栏，采用的策略却各不相同。
$ N7 o( B3 O' v1 N. @主动防御式 J! D# f6 e9 J6 u, ^ O2 t
这是一种兼顾协作机器人与传统机器的理想模式，即在机器人周边划分不同的区域，由传感器监测区域内的动态，传感器可能是光幕，可能是视觉，可能是激光测距传感器，用来代替围栏，创造出虚拟空间。 当人在虚拟空间以外时，机器人高速做生产工作，而当人进入虚拟空间时，机器人减速或者暂停。这里更多是软件层面的安全系统，所用的机器人甚至不一定是现在所谓的协作机器人，传统的机器人也可以。 比较理想的设置是，在机器人的周边划分成在三个区域，姑且称为外空间，中空间，内空间，当人处于外空间时，机器人高速工作；当人进入中空间时，机器人慢速工作；而当机器人进入内空间时，机器人二次减速，龟速工作，此时机器人与人非常靠近，一旦机器人与人发生碰撞，机器人停止。当人远离机器人时，机器人又自动按人所在的空间对应不同的速度工作。 理想很丰满，现实却很骨感。实际应用场景却要复杂得多，如何判断人在哪一个空间、如何保证传感器的稳定性、如何定义慢速/龟速，如何自行恢复等等根据不同的应用场景都有相当复杂的组合，所以这种策略的实施非常困难，实际的案例中也只是实现了部分策略。 典型案例：FANUC双重防碰撞安全检测技术，策略也比较简单。此功能可在人机作业的环境中，在机器人周边构成一个虚拟的安全作业区域，当人员进入该区域触发安全机制时，机器人暂停当前的工作，进而达到保护人员，避免受到伤害的情况。 当机器人在运作时，四周不需要安全围栏，在无外界干预时机器人全速运行，信号灯以绿色表示；当人员进入预警区时，机器人速度减慢，信号灯显示黄色；当人员进入危险区，会对人员造成伤害时，机器人紧急停止，信号灯以红色表示。  - {& q8 F* d% j$ ?. o
缓冲式 9 _' B# q. B7 F* Y
由于主动防御实在哪保周全，于是衍生出另一种补救方式——电子皮肤。即在传统机器人上包裹一层软材料，并发生碰撞时，既能做缓冲降低伤害，同时这种材料本身也是一种传感器，可以感知外界的力，达到协作的安全目的。 典型案例：Staubli的TX2 touch，从碰撞检测感知上看，反应非常灵敏。 然而，目前电子皮肤的技术仍是开发阶段，成熟产品少，价格也相当高，限制了其应用。而且很多时候机器人并不是整体包裹，比如基座、末端法兰露出，其实仍免不了安全隐患。 
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, m& X: O z* I' N4 ~1 D, z4 V+ }力控式 ( x7 o' \' r1 A
力控式是目前协作领域最常用的方式。设想假定装配某一个产品的力是2KG的力，机器人固定输出2KG左右的力，超过2KG时，或者受到外界的其他力时，则判断遇到了不可继续的阻碍，机器人则自动停止，人为介入，防止伤人。从安全方面来，也是退而求其次，挺好的策略，而且也是相对容易实现的策略。于是，目前大众所认识的UR式协作机器人应运而生。 再分细一点，力控又分成三个大的方向。以UR为首的高性价比方案，通过监测电流来实际力控，结构相对简单，容易实现，性能上力控的精度自然要差很多，但是对于追逐潮流来说已经够了。 另一派是以KUKA为首的力传感器方案，采用高精度的应变片，实现精确的力控，什么压蛋不破，刺手不伤，钉刺气球不破，都是经典DEMO，然而，因为结构复杂，成本高，投入大，周期长，回报慢，敢入局，能入局的玩家甚少。 还有就是在末端增加六维力传感器来实现精准力控，这种其实是比较成熟的技术，在协作概念未火之前已经有较多的使用，只是搭着协作的风打了个擦边球。价格嘛~~~~呵呵呵呵呵呵~~~~~
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1 p: l' S# b, x* H$ M2 E8 _8 ~! e非主流式 5 N$ f1 m+ f1 W" Y
上述只是列举了典型方式，也有不少厂家是采用了综合的方案，比如使用了协作机器人，还包裹了缓冲材料，或者还增加了安全区域检测，组合还是挺多的。 另外也有一些小众方案。 直驱电机：前面讲的UR类协作是通过监测电流实现力控有很大的局限性，原因是UR类协作机器人的模组的驱动是由电机加减速机组成，减速机本身有较大的静摩擦力，而且相同规格的差别还挺大，所以如果是较小的力，电机这边根本看不到电流变化。直驱电机正好弥补了这个缺点，既能输出足够大的力，外界的力又直接被电机感知，故能实现非常顺滑的力控，稳定性也要比应变片好得多。然而~~~~~上帝是公平的，目前直驱电机的功率密度仍然远远达不到理想需求，相同的扭矩，直驱电机的体积实在太大了，限制了构型与使用，价格上仍是偏贵，但相比iiwa来说，简直白菜价。 典型案例：慧灵  气动方案：来自气动界霸主FESTO的杰作，采用气缸实现了协作。不管是想法还是技术还是颜值，都是相当哇塞，价格嘛，我想应该也挺哇塞的~~~~~
( q2 R7 Y9 y' F# O5 v( I  学霸方案：要说协作的鼻祖，不得不提Rethink的悲剧人生。引领协作潮流，又不得不卖身求存，技术路线完全抛弃成熟的减速机，几乎都是采用自研的结构，只可惜，时代看上了学霸，但市场没看上~~~~~向学霸致敬，希望早日归队。  ' e- Q# ?+ d7 Q( P
- n) P1 v u5 d0 D8 ~3 r8 J) \0 s$ Y: P看得不过瘾？没关系，未完待续 $ \% N1 [. j9 O+ h# G/ Q9 x# ?4 r
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发表于 2021-8-28 15:47:09
