協(xié)作機器人的發(fā)展現(xiàn)狀分析 協(xié)作機器人如何殺出市場重圍

作者：包文濤，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所工學碩士，在機器人和工業(yè)自動化領(lǐng)域有超過10年的專業(yè)經(jīng)驗。曾任職于ABB集團，先后在新加坡、美國、加拿大等地工作，在產(chǎn)品管理、技術(shù)方案、項目工程、服務(wù)以及組織建設(shè)和發(fā)展等方面擁有豐富的本土和國際化的知識和經(jīng)驗。

系列文章將從下面幾個方面試圖解釋協(xié)作機器人的發(fā)展，及探尋激烈的市場下能夠存活的緣由：

1. Rethink公司為什么倒掉？

2. 為什么協(xié)作能夠興起？

3. ISO/TS 15066 協(xié)作機器人規(guī)范出籠，說明了什么問題？

4. 各協(xié)作機器人公司的技術(shù)起源

5. 國內(nèi)協(xié)作機器人發(fā)展狀況

6. 協(xié)作機器人公司處于競爭不敗之地的緣由

下文將討論第二個話題

協(xié)作機器人-激烈的市場誰能殺出重圍

為什么協(xié)作機器人能夠興起？

2007年以來，協(xié)作機器人開始進入工業(yè)，探尋各種應(yīng)用場合下推廣使用的可能。進入2014年后，協(xié)作機器人行業(yè)高潮迭起，無論資本投入還是企業(yè)規(guī)劃，協(xié)作機器人成為炙手可熱的機器人方向。然而協(xié)作機器人有多種不同的技術(shù)路線，有已經(jīng)證明的可行的模式，也有仍然在試錯的路上，更多的一波又一波創(chuàng)業(yè)公司在資本的推動下涌入，道路崎嶇，前程未知。

2017年9月，國際機器人聯(lián)合會(IFR)發(fā)布了2017-2020年市場預(yù)測。其中在其主體報告中，著重強調(diào)了未來的趨勢：

?Robotswhich are easier to install, program and operate will unlock entry barriers tothe large, untapped market of small and medium enterprises (SMEs).

?Trendtowards having production closer to the end consumer driving the importance ofstandardisation & consistency across global brands.

?Collaborativerobots are shifting the traditional limits of “what canbe automated?”

?Collaborativerobots increase manufacturing flexibility as ‘lowvolume high mix’ becomes the new normal

?Collaborationis also about productivity with increased human/robot interaction

我們把國際聯(lián)合會的趨勢總結(jié)概括一下，可以用下面一句話總結(jié)：簡單易用、靈活、安全協(xié)作型的機器人，會更適應(yīng)中小企業(yè)和全球性企業(yè)等不同生產(chǎn)的需求的需要，成為工業(yè)機器人發(fā)展的最主要趨勢。

為什么協(xié)作機器人能夠興起成為機器人發(fā)展的趨勢？這個話題要從機器人誕生至今的應(yīng)用及技術(shù)積累的成熟度談起。其中有一款經(jīng)典的機器人在推動機器人學的發(fā)展中起到了非常重要的作用。

世界上第一臺真正意義上機器人發(fā)明者是恩格爾伯格。1959年，恩格爾伯格和德沃爾發(fā)明了世界上第一臺工業(yè)機器人Unimate，它采用液壓執(zhí)行機構(gòu)的它龐大而又笨重，只能完成最簡單的搬運動作。

恩格爾伯格是工業(yè)機器人的發(fā)明者，其創(chuàng)立的公司是工業(yè)機器人的先驅(qū)。這家叫Unimation的公司的產(chǎn)品，仍然活躍在機器人界，只不過Unimate這個產(chǎn)品的名字不常見，取而代之的是一個叫Staubil公司集成和發(fā)展了Unimation公司的產(chǎn)品，這個是后話。

Unimation公司在機器人界占據(jù)非常重要的地位，讓我們先看看這家公司的歷史。創(chuàng)始人恩格爾伯格1925年生于紐約，先后獲得哥倫比亞大學物理學士和電子工程碩士學位。1950年，恩格爾伯格讀到了阿西莫夫的小說集《我，機器人》(I， Robot)，愛不釋手，產(chǎn)生了制造機器人的念頭。1956年的一場酒會，他偶遇發(fā)明家德沃爾(George C. Devol)。后者提到，他剛剛申請了一個專利，叫做“可編程的用于移動物體的設(shè)備”(Programmed Article Transfer)。恩格爾伯格脫口而出，“這不是阿西莫夫筆下的機器人嗎!”兩人一拍即合，決定合作創(chuàng)立一家生產(chǎn)機器人的公司——Unimation。

1958年Unimation產(chǎn)生了一個機械手臂，它實際上類似于人手臂的形狀，也就是我們現(xiàn)在俗稱的機器人。這臺機器人具有類似人手的靈活度，但是機器人的成本也非常高，根據(jù)當時的情況只有大公司才能用得起。鑒于此，恩格爾伯格將機器人的用戶瞄準了大公司。

1961年，經(jīng)過長時間努力和說明，通用汽車在新澤西州的一個工廠安裝使用了第一臺Unimation的機器人。這個是歷史可查的第一臺機器人用于工業(yè)。這臺機器人和人相比，在使用中有明顯的優(yōu)勢，比如機器人可以在例如焊接、搬運等重復性的場合，不知疲倦，效率很高；同時在有毒或者其他危險的場合，也比人更有優(yōu)勢。

通用汽車開始訂購更多的機器人，安裝在各地的工廠，承擔的工作擴展到焊接、油漆、粘合和裝配。這種使用使得通用汽車率先自汽車行業(yè)實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，鞏固和擴大了通用汽車在行業(yè)領(lǐng)先地位。于此同時福特汽車、克萊斯勒等其他汽車公司紛紛跟進，將機器人用于各自的汽車生產(chǎn)流水線。

這樣，機器人在汽車行業(yè)率先開始使用！

Unimation后授權(quán)其技術(shù)給川崎重工和GKN，在日本和英國分別制造Unimate機器人。后續(xù)日本汽車工業(yè)開始引進機器人，在生產(chǎn)線開始部署使用機器人來代替人工操作。日本人以其工作認真、做事精益的作風將機器人的使用的價值充分發(fā)揮。后來，日本誕生了許多世界級的機器人公司，從最開始引進機器人技術(shù)的川崎公司，到后來合資成立的發(fā)那科，安川等，日本機器人公司在機器人界占據(jù)了重要位置。

汽車大規(guī)劃生產(chǎn)使用的機器人，我們一般稱之為傳統(tǒng)機器人。機器人進入工業(yè)生產(chǎn)，其在汽車行業(yè)一直占據(jù)著舉足輕重的位置。據(jù)統(tǒng)計，2010年之前，全世界用于汽車工業(yè)的機器人也已經(jīng)達到總用量的37%，用于汽車零部件的工業(yè)機器人約占24%，加起來用在汽車行業(yè)的比例超過50%，在有些國家可能比例更多，比如美國、歐洲、日本等發(fā)達國家。

這樣，機器人的應(yīng)用在汽車行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。各機器人公司的產(chǎn)品形態(tài)涉及更為廣泛，其中串聯(lián)機器人技術(shù)最具競爭力，在各個場合串聯(lián)機器人的應(yīng)用范圍也最為廣泛。

2003年，Esben ?stergaard在南丹麥大學接受一個課題研究，就是為食品行業(yè)尋找方便使用、靈活、能滿足產(chǎn)品切換的解決方案。他和合作伙伴Kasper St?y 和 Kristian Kassow 找遍市場上所有已經(jīng)存在的機器人，也都無法找到一款能滿足靈活易用、無需特殊防護就能使用的機器人。當時機器人市場的主要產(chǎn)品是大型、昂貴且笨拙的機器人。我們在《揭秘Rethink公司為何倒閉！“協(xié)作機器人-激烈的市場誰能殺出重圍”》中也提到，Rodney Brooks在為iRobot尋找能夠代為生產(chǎn)的工廠時，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的工廠無法滿足生產(chǎn)要求的需求，這是萌發(fā)要做一款容易使用、價格便宜的機器人的初衷。至于這段歷史，網(wǎng)上無更多公開的消息。iRobot之前的業(yè)務(wù)并不集中，其中軍方配合的項目在成立公司的頭10年里是主要的業(yè)務(wù)，iRobot 涉及民用服務(wù)機器人在2002年后，這個是公司能否發(fā)展壯大并且上市的主要的原因。在Rodney Brooks2008年成立Rethink公司前，我們推測應(yīng)該是2005-2007年間，他發(fā)現(xiàn)工廠的生產(chǎn)和他需要的生產(chǎn)并不匹配，繼而萌發(fā)要創(chuàng)造一款易用、靈活、價格低廉的機器人。

2005年，Esben ?stergaard，Kasper St?y 和 Kristian Kassow 創(chuàng)立了Universal Robots (優(yōu)傲機器人)， 基于一個理念:“要研發(fā)一種易于安裝和使用的輕型機器人”，并且致力開發(fā)中小企業(yè)也能承受的機器人技術(shù)， 這個想法和后來的Rodney Brooks創(chuàng)立 Rethink公司初衷類似。同年丹麥國家投資基金批準了Syddansk創(chuàng)新投資基金的企劃書，并會同Syddansk創(chuàng)新投資基金參與了對Universal Robots (優(yōu)傲機器人) 的投資和管理。后來Universal Robots (優(yōu)傲機器人)的產(chǎn)品獲得了廣泛關(guān)注，到目前為止UR機器人在協(xié)作機器人廠家中市場份額最大，引領(lǐng)者協(xié)作機器人行業(yè)的發(fā)展。

協(xié)作機器人興起的原因歸結(jié)如下：

第一、 世界的生產(chǎn)的模式和生產(chǎn)方式發(fā)生了巨大變化！

2000年之后，我們看到機器人使用方式迫切需要轉(zhuǎn)型。機器人使用集中的汽車行業(yè)，在發(fā)達國家很少再有大規(guī)模的工廠上馬。例如，最近寶馬汽車在一份聲明中表示，將投資10億歐元(合11.7億美元)在匈牙利新建組裝廠，這是近二十年來寶馬在歐洲建的首家工廠；另一方面，規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)從2000年后慢慢開始轉(zhuǎn)移到亞洲等人力低成本的國家。規(guī)?；纳a(chǎn)企業(yè)，借助中國、越南、泰國等人口紅利，漸漸地把工廠從歐洲轉(zhuǎn)移，甚至低成本的工業(yè)消費品生產(chǎn)企業(yè)逐漸關(guān)閉，因為進口發(fā)展中國家的產(chǎn)品價格更為便宜。我們說逐利是資本主義萬惡的源泉，對于企業(yè)競爭來講，這是一個無法忽略的事實。

中小企業(yè)（Smalland Medium Enterprises）

以歐洲為例，規(guī)劃化的工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)移之后，歐洲無法轉(zhuǎn)移的中小企業(yè)（Small and Medium Enterprises）有非常多。中小企業(yè)是世界各經(jīng)濟體的重要組成部分。各經(jīng)濟體對中小企業(yè)的界定標準不盡相同，且隨著經(jīng)濟的發(fā)展而動態(tài)變化，但中小企業(yè)在經(jīng)濟體中扮演的關(guān)鍵角色卻不容置疑。在歐洲，商業(yè)活動的 95 以上%由中小企業(yè)完成，60%-70%以上的雇員服務(wù)于中小企業(yè)。在美國，中小企業(yè)數(shù)量已占全部企業(yè)總數(shù)的 99.9%，除務(wù)農(nóng)人員外約 有 1.2 億工人，其中 50%在中小企業(yè)工作。例如食品行業(yè)在歐洲就是一個廣泛存在的行業(yè)，它供應(yīng)在歐洲居民每天食用的奶酪、面包、蔬菜等，由于供應(yīng)量和保質(zhì)期的原因，其生產(chǎn)不可能轉(zhuǎn)移到其他國家，這樣這些生產(chǎn)就必須要保留在本地。

第二、 機器人技術(shù)的發(fā)展日益成熟

任何一種新產(chǎn)品和新技術(shù)的推出，都是在當前產(chǎn)品的基礎(chǔ)上迭代更新，推出更為完善的產(chǎn)品，機器人行業(yè)也是如此。

80年代，一款經(jīng)典機器人的出現(xiàn)對于機器人學的發(fā)展起到了非常重要的推動作用，那就是——PUMA-560。

PUMA-560機器手也是Unimation公司的產(chǎn)品，是一款在機器人歷史上經(jīng)典的工業(yè)機器人, 它有6自由度，負載2kg，采用直流伺服。PUMA-560采用類人的手臂的機械結(jié)構(gòu), 由一系列剛性連桿和通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成串聯(lián)鏈接結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)之間采用連桿，連桿在和人的手臂連接類似, 通過中間的活動關(guān)節(jié)分別連接類似于人的上臂和下臂, 整個機械手和人類比的話，本體相當于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。

Puma系列機器人的誕生，在工業(yè)和科研領(lǐng)域都有重要影響。機器人的初學者都是以這款機器人為基礎(chǔ)，正逆運動學的問題通過解析法和迭代法等傳統(tǒng)計算方法進一步驗證和改進。機器人學的一系列經(jīng)典教材均用Puma560為教具來講工業(yè)機器人的理論。如美國人付京遜的《機器人學》作為機器人學的經(jīng)典教材，直到今天內(nèi)容仍然比較完善，在國內(nèi)幾個著名的機器人研究所，作為研究生的教材仍然有不少人在使用。

機器人動力學和運動學的發(fā)展，是隨著新型傳動與驅(qū)動機構(gòu)以及智能與軟物質(zhì)材料的出現(xiàn)，可以預(yù)計柔性化、軟性化、可變化、微型化和控制智能化，讓新型功能機器人的出現(xiàn)有可能。

機器人的各種形態(tài)和作動仍然類似生物體的仿生體，這種結(jié)構(gòu)注定從Puma到新的機器人出現(xiàn)都不應(yīng)該有較大偏離。例如新能源汽車，雖然內(nèi)部的結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生很大改變，但是在形態(tài)上和傳統(tǒng)燃油汽車仍然一樣，汽車沒有變成6個輪子或者長相怪異。汽車內(nèi)燃發(fā)動機被新型交直流電機取代，加注的燃油被可以反復充電的鎳氫等電池取代。變化的結(jié)果是新能源汽車在性能上讓人車交互等新型智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)更為完善，滿足人的多樣性的需求，繼而進一步激發(fā)人們購買的熱情。

第三、 易用和靈活是剛需，但可靠性壓倒一切

傳統(tǒng)機器人在部署60年后，越來越突出的瓶頸就是交互性不夠。交互性體現(xiàn)在三個方面：

（1）易用

易用性最為直接是拖動示教。借助機器人的動力學模型，控制器可以實時的算出機器人被拖動時所需要的力矩，然后把提供該力矩給電機使得機器人能夠很好地輔助操作人員進行拖動。力矩的計算如下列公式所示：

其中

公式中的是通過逆動力學算得的電機所需要的力矩，其計算公式包括慣性力項、科里奧利力 和離心力項、重力項 以及摩擦力項。而當中的根據(jù)選擇的摩擦力模型可以分解為粘性摩擦力項、庫侖摩擦力項以及補償。

摩擦力的計算是相對復雜的數(shù)學模型。基于目前技術(shù)的實現(xiàn)方式，有無傳感補償技術(shù)；加外置力傳感器反饋優(yōu)化模型計算；彈性裝置伸縮模型計算等。這一步每家機器人公司均有獨特優(yōu)勢，可以達到無重力拖動示教功能。

（2）靈活

機器人要增強和人的互動性，還需要把機器人當成工具使用，這就要求機器人的使用更加靈活。機器人本體重量必須要輕，在需要的場合，工人可以任意搬動和簡單安裝，機器人盡快投入使用。

中空無框電機直接集成至關(guān)節(jié)軸中，組成模塊結(jié)構(gòu)。電機可嵌入機器人底座中，并直接驅(qū)動負載，可進行高精度的水平運動和力度控制。在操作過程中，它們能識別對象的大小和柔性，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)所施加的力。模塊結(jié)構(gòu)，可以讓同類型的關(guān)節(jié)之間實現(xiàn)更快互換，技術(shù)機器人關(guān)節(jié)出現(xiàn)問題，可以在10-30分鐘之內(nèi)完成互換。

于此同時，機器人本體的重量進一步降低，可以實現(xiàn)凈重和承載力的特殊比率，這些都是先進的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來的結(jié)果。

（3）安全

機器人和人交互，必須要保證的是人類安全，碰撞檢測是協(xié)作機器人務(wù)必要達到的功能。

傳統(tǒng)機器人也有碰撞檢測功能，但是傳統(tǒng)機器人碰撞檢測的目的一般是為了減少碰撞力對機器人本體的影響，避免機器人本體或者外圍設(shè)損壞。

協(xié)作機器人碰撞檢測的功能是為了解決人和機器人共融的問題。其實現(xiàn)的方式，有借助力感知皮膚，關(guān)節(jié)力矩傳感器，電流估算力反饋模型等方式。在實現(xiàn)的方式上，務(wù)必需要體現(xiàn)碰撞力的設(shè)置，以滿足不同環(huán)境下力的靈活設(shè)置。

在上述易用、靈活、安全滿足要求的前提下，可靠性是無論如何要滿足的因素。歸根接地，易用、靈活、安全是解決了操作者調(diào)試時的難題，這個時間進一步壓縮，可能只占機器人生命周期使用時間的10%甚至更少。更多時間，機器人是留在生產(chǎn)線，完成單調(diào)周而復始的工作，這個期間工業(yè)效率將回到傳統(tǒng)機器人的使用模式，工廠將注重考查節(jié)拍和產(chǎn)出。協(xié)作機器人必須要能達到和傳統(tǒng)機器人類似的可靠性要求。

協(xié)作機器人從適應(yīng)生產(chǎn)關(guān)系和生產(chǎn)方式出發(fā)，注定可以解決從21世紀初開始出現(xiàn)的生產(chǎn)中的難題。協(xié)作機器人可以靈活的和人配合，迅速投入生產(chǎn)，部署在如上下料，螺絲擰緊，拋光打磨等應(yīng)用場合。過去需要長達多天甚至數(shù)周才能完成的應(yīng)用，如今可以縮短到一兩天甚至數(shù)小時內(nèi)完成。縱然協(xié)作機器人略有缺陷，如負載不高，速度不快，但是縱觀生產(chǎn)使用的場合，絕大部分的應(yīng)用場合均可以得到滿足。協(xié)作機器人越來越多的案例證明，也讓更多的客戶有了使用上的信心，協(xié)作機器人行業(yè)也蓬勃發(fā)展開來。

未來智能實驗室是人工智能學家與科學院相關(guān)機構(gòu)聯(lián)合成立的人工智能，互聯(lián)網(wǎng)和腦科學交叉研究機構(gòu)。

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