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       協作機器人是2018年比較熱門的一個機器人細分類，有業內人的觀點是，協作機器人是工業機器人的未來，也有人的觀點是協作機器人是走向智能化機器人的初步探索。2018年協作機器人的行業黑天鵝事件：協作機器人鼻祖rethink robot倒閉。本文機器人觀察員，介紹一下協作機器人的技術以及市場發展。

協作機器人概念及范疇

       協作機器人（Collaborative Robot）是一種被設計成可以安全的與人類進行直接交互/接觸的機器人。與傳統工業機器人不同，協作機器人拓展了機器人功能內涵中“人”的屬性，使機器人具備一定的自主行為和協作能力，可在非結構的環境下與人配合完成復雜的動作和任務，使機器人真正成為人的合作伙伴，結合人的智力、靈巧性和機器的體力、力量和準確性，人機協作完成諸如精密裝配等工作，解決傳統工業機器人應用的局限性。

       根據機器人與人的協作程度，協作等級從工人與機器人共享工作區域但沒有直接接觸或同步任務，最高到機器人會實時調整其運動以配合工人的動作。目前， 最常見的協作機器人應用場景是機器人和工人共享工作區域，彼此并肩工作，按順序地完成任務。

國內外發展現狀

       近幾年協作機器人獲得了廣泛關注。其概念的首次提出早在20 世紀90 年代。1996 年，美國西北大學的 2 位教授 J．Edward Colagte 和 Michael Peshkin 首次提出了協作機器人的概念并申請了專利。經過 20 多年的發展，全球已經有超過 50 家機器人公司研制出各自的協作機器人。目前部分協作機器人已經被應用于汽車裝配、醫療、倉儲物流、服務等領域。國內關于協作機器人的研究起步相對較晚， 但近幾年協作機器人市場的火熱，很多企業也推出了一些優秀的產品。盡管協作機器人炒得很熱，但是據國際機器人聯合會初步統計，在 2017 年全球安裝的 38.1 萬臺工業機器人中，只有不到 4%是協作機器人。

一、國外發展現狀

       2005 年，致力于通過機器人技術增強 SMEs 勞動水平的 SME Project 項目開展，協作機器人發展迎來契機。同年，協作機器人企業 Universal Robots 在南丹麥大學創立。2008 年 Universal Robots 公司推出全球首款協作機器人 UR5。其本體擁有六個關節，重 18kg，有效負載 5kg，臂展 800mm，重復精度±0.1mm ，具有安裝迅速、部署靈活、安全可靠、編程簡單等特點。

       隨著 UR 系列異軍突起，協作機器人市場的大門被打開，以“四大家族”為首的傳統工業機器人企業紛紛將目光投向這一新領域，同時，許多初創科研企業， 如 Rethink Robotics、Kinova Robotics 等也先后推出自己的優秀產品。

       Rethink Robotics 的雙臂機器人 Baxter 以及 7 自由度單臂協作機器人 Sawyer， 以其獨特的結構設計和出色的控制性能，贏得了多方贊譽。Sawyer 臂展 1260mm， 有效負載 4kg，可以在狹小的空間內工作。其手臂上集成了視覺系統，使其能勝任高精度貼片和裝配任務。同時，結合多種傳感器新型，保證了操作人員安全。

2018年10月，rethink 宣布企業破產，rethink產品及技術由HAHN Group收購。

       2014 年 11 月，庫卡在中國首次發布庫卡公司第一款 7 軸輕型靈敏機器人LBR iiwa，它首次實現人類與機器人之間的直接合作，并開啟了庫卡“人機協作”的新篇章。LBR iiwa 機器人的結構采用鋁制材料設計，其自身重量不超過 30 公斤，負載重量可分別達到 7 公斤和 14 公斤，超薄的設計與輕鋁機身令其運轉迅速，靈活性強，不必設置安全屏障。

iiwa七軸協作機器人

       ABB 在2015 年德國漢諾威工業博覽會上將雙臂人機協作機器人YuMi 正式推向市場。Yumi 雙臂靈巧，且以柔性材料包覆，同時配備創新的力傳感技術，實現與人類的近距離協作。

abb雙臂協作yumi機器人

       2016 年 Fanuc 推出 CR 系列機器人 CR-35iA、4iA、7iA 和 7iAL。CR 系列機器人肢體采用軟性材料，將力矩傳感器集成在機器人底座上，符合新出臺的安全標準，配有運動捕捉功能，機器人手腕部最大負載達到 35kg，可以在沒有安全圍欄隔離的情況下與人一起工作。

       Fanuc推出的協作機器人，也新改動了機器人的外觀顏色，采用了環保型的綠色。

fanuc協作機器人

二、國內發展現狀

       在國外協作機器人研究開展的如火如荼的同時，國內協作機器人研究也成果顯著，除了原有的工業機器人知名廠家紛紛推出自己的協作機器人以外，也催生了眾多專注于協作機器人開發的新型機器人公司。

       作為國內工業機器人領軍企業，新松在 2015 年 11 月上海工博會上率先推出了國內首款高端７軸人機協作機器人。這款柔性多關節機器人具有快速配置、牽引示教、視覺引導、碰撞檢測等功能，具備高負載及低成本的有力優勢，能夠滿足用戶對于投資回報周期短及機器人產品安全性、靈活性及人機協作性方面的需求。

新松七軸機器人

       新松七軸機器人，目前主要的客戶群，還是一些研究機構及高效，在企業現場應用的情況仍然不多。主要在于售價較高。

       遨博智能科技有限公司先后發布了 3 款具有自主知識產權的工業協作機器人。AUBO-i5 基于ROS，采用CAN 總線通訊接口，自重5kg，重復定位精度達±0.05mm 。并采用開放式控制系統，提供軟件二次開發的 API 接口。在結構上采用模塊化設計，使其組裝維護得以簡化，同時能有效降低成本。

       臺灣達明 TM5 系列六軸協作機器人，達明機器人的 TM5 協作機器人內建視覺系統，整合視覺軟硬體，具備多采多姿的機器視覺功能，能夠偵測、辨識物體形狀、顏色，并能讀取條碼等編碼信息。透過 easy to use 的人機介面，帶給使用者全新的使用經驗，運行彈性大，容易達成無治具、少周邊的自動化任務。通過TM5 的手拉教導及內建視覺的整合，即使未具機器人使用經驗的使用者也能輕松應用，在 5 分鐘內即可完成視覺取放任務的教導。同時，TM5 教導容易，適合布署不同任務，達到彈性自動化的目標，大幅降低自動化時間及成本。

       2016 年的上海工博會，大族電機攜最新產品 Elfin 六軸協作機器人精彩亮相。機械臂采用模塊化安裝，裝配快捷，控制簡單，維修方便，成本較低。其自重 21kg， 額定負載 5kg，重復精度可達±0.1mm ，能夠滿足生產需求。作為協作機器人，Elfin 可配合工人工作，也可用于集成自動化產品線、焊接、打磨、裝配、搬運、拾取、噴漆等工作場合，應用靈活廣泛。

協作機器人產品特點

       協作機器人技術發展特點主要體現在易用性、靈活性、安全性三個方面。

1、易用性

       易用性是機器人控制器設計的重中之重，其中涉及具體技術包含各類圖形化編程、工藝包、示教方式、指令豐富程度、二次開發平臺、系統擴展性（硬接口， 軟協議），離線編程軟件等。雖然，協作機器人的拖動示教功能特性免去了傳統工業機器人復雜的編程和配置，使其操作簡單、易上手。但是，目前市場的一些協作機器人產品，它們提供的圖形界面只能完成一些簡單的揀選/取放任務，仍存在易用性不強的問題。為提升協作機器人的易用性，行業內企業對機器人編程語言進行開發優化，使機器人能適應復雜工作環境。如 UR 機器人采用一種專利技術的圖形化編程方式，把復雜的指令簡化為組合按鈕形式，配合拖動示教完成機器人的編程；日本 Mujin 提供一種簡單快速的 3D 環境重建方法及針對復雜環境進行自動軌跡規劃的技術，可大幅降低機器人部署時間和工作量；Franka 推出圖形化編程系統，通過組合不同的基本元素，使用戶可在不具備任何專業知識的情況下編寫復雜的機器人程序。隨著協作機器人應用領域的不斷擴展，要提升協作機器人簡單易用性，提供更簡單直觀，功能更強大的編程方法仍將協作機器人企業長期努力的方向。

2、靈活性

       從軟件層面來看，協作機器人系統多數具有學習和演化的能力，使其產品具有適應性、靈活性，它們主要采用增強型學習方法和遺傳規劃，可實現多機協同作業。然而，目前的多機器人學習和演化還停留在比較低的行為層次，其學習和演化的任務和環境也非常簡單，當其面對更為復雜的任務和環境時，存在時滯評價和組合爆炸問題。同時，對多智能體的分布式學習與演化，也與傳統的集中式的學習與演化方法有明顯區別，還有待尋找更為有效的行為優化方法。

       從硬件層面來看，目前，協作機器人技術產品多數為 6 自由度及以上的多關節機器人，自重及負載都較小，產品安裝方式及其移動部署相對靈活。適用于柔性、靈活度和精準度要求較高的行業如電子、醫藥、精密儀器等行業，滿足更多工業生產及服務行業的操作需要。

3、安全性

       安全問題作為實現人機協作一個前提條件，只有保障了操作人員的人身安全， 才能更好的協同工作，提高企業效率。為有效規范協作機器人設計及安全，國際標 準 化 組 織 于 2016 年 3 月 發 布 了 《 ISO/TS15066 Robots and robotic devices--Collaborative robots》標準，該標準作為支持 ISO10218“工業機器人安全標準”的補充，進一步明確了協作機器人的設計細節及系統安全技術規范。

       各協作機器人企業都通過開發硬件或者軟件，抑或兩者兼備的方式確保其能實現人機協同作業，但不同企業實現途徑不一。如優傲利用其專利傳感器技術幫助其實現功率和力的限制功能，能夠監控電機的電流和編碼器的位置，通過電流和位置數據，推算出力，實現協作機器人的功率和力的限制功能。ABB 的 Yumi 在硬件上通過被軟性材料包裹的塑料外殼，能夠很好地吸收對外部的沖擊；在軟件上有運動速度和功率限制的設計，當它與工人或其他物體接觸時，內置的傳感器就能檢測到。Rethink 協作機器人產品通過搭載串聯彈性驅動器(SEA)，將力矩控制轉化為彈簧形變量控制，實現精確的力矩控制。發那科在底座安裝力傳感器， 來檢測外力。博世協作機器人配備機器人保護皮衣 APAS（觸覺檢測裝置），檢測受力情況并可向控制器提供即時反饋，確保人員安全。

       由于協作機器人具有高安全性，其適合要求人員介入的有限空間作業的場景， 大部分是涉及裝配，例如電子產品裝配，機器人來放置零件，操作人員負責組裝。

       因為體積小，重量輕，安裝和調試簡單，同樣的一臺機器可以相對方便的移動位置，重新進行示教，極大的提高了生產線的柔性，減少的投入。

        隨著制造業的轉型升級，以計算機、通信及消費量類電子產品為代表的 3C 產業蓬勃發展，產品生命周期變得越來越短，用戶個性化需求也越來越高。面對生產線變更時間需大幅縮短，工作空間狹小等問題，傳統的“非自動即動手”的生產裝配模式已難以應對，大量工作需要人和機器人人協作完成。因此，為搭建靈活高效的制造系統，人機協作成為有效解決方案。人機協作不僅是解決現實問題的需要，也是長遠發展的選擇。

協作機器人的未來發展趨勢

       近年來，相比成熟的國外市場，協作機器人在國內尚處于起步階段，但發展速度十分迅猛。小型化、輕量型、協作機器人，其靈活高效的生產模式、用戶友好的操作界面以及理想的投資回收周期，降低了企業自動化改造的門檻，使得越來越多的制造企業更愿意通過協作機器人來實現降本增效。協作機器人的發展趨勢有以下幾點：

一、產品設計多樣化、個性化

       近年來，國內眾多廠家投入到協作機器人的研發中。從最開始的仿照 UR 等國外廠家的外形，到如今更多工業化設計的產品出現，國產協作機器人逐漸嶄露頭角。不僅僅在外觀上，國產配套零部件的發展也受行業趨勢影響加速了成長。國內機器人核心零部件一直是制約國產機器人發展的最大瓶頸，這個問題在協作機器人產品中尤為突出。一直以來，協作機器人所使用的直驅電機、模塊化編碼器、力矩傳感器等核心部件受制于國外品牌牽制，在貨期和價格上都有很大劣勢。隨著行業的發展，越來越多的國產配套廠家在與機器人本體廠家的磨合中提升了自己的產品質量，使得產業良性循環得以繼續，在性能和價格上大家得以尋求到一個平衡點。

二、模塊化設計

       模塊化的設計概念在協作機器人上體現的尤為突出。科爾摩根最開始利用其電機廠家的優勢突出關鍵模塊單獨銷售，一定程度上給了國內廠家很多的學習和參考。像大族機器人、爾智機器人、HRG 岳陽研究院等均推出了自己的模塊化關節。快速可重構的模塊化關節為國內廠家提供了一種新思路，加速了協作機器人的設計。用戶可以把更多的精力放到控制器、示教器等其他核心部分的研究中。隨著關節模塊內零部件國產化的普及，價格也在逐年降低。

科爾摩根RGM機器人關節模塊

三、市場定位逐漸清晰

       在協作機器人出現之初，很多人對于其市場應用前景抱有很大的懷疑。價格高，負載小，速度低，安全性高，是最初大家對協作機器人的直觀印象。低性能和高安全性，似乎不適應我們要求高效率和高產能的工業應用場景。但是隨著制造業生產模式在快速從少品種、大批量向多品種、小批量轉變，大部分制造企業常常面臨日益增大的成本壓力、產品多樣化需求不斷增加以及時刻變化的產量需求等挑戰。而傳統的工業機器人，是在保護欄后面，與工作人員相隔離，在工作流程上，也是和人的其他工作相屏蔽，這就呈現出工作流程環節和生產模式上的相對固化。個性化定制和柔性化生產所需要的已經不是傳統的生產方式，不斷迭代的產品對機器人組裝工藝的通用性、精準度、可靠性都提出了越來越高的要求。為了應對這一挑戰，需要更柔性、更高效的解決方案，那就是智能化與協作，制造方式必然需要具備更高的靈活性和自動化程度。由此，能和工人并肩協同工作的協作機器人成為迫切需求。

       越來越多的廠家開始找到自己的定位。例如國內市場反饋不錯的北京遨博， 他們就聚焦于 3C 行業、冶金材料、涂料等行業，針對行業特點和企業需求，為眾多的中小微企業提供靈活的個性化的智能制造方案。

       總結，事實上協作機器人是否代表工業機器人的未來，目前并不明朗，但協作機器人能夠成為整個機器人產業一個重要的補充領域，這是不爭的事實。