解读:国产协作机器人发展、技术及未来市场趋势

协作机器人是2021年比较热门的一个机器人细分类,有业内人的观点是,协作机器人是工业机器人的未来,也有人的观点是协作机器人是走向智能化机器人的初步探索。2021年协作机器人的行业黑天鹅事件:协作机器人鼻祖rethink robot倒闭。本文机器人观察员,介绍一下协作机器人的技术以及市场发展。

协作机器人概念及范畴

协作机器人(Collaborative Robot)是一种被设计成可以安全的与人类进行直接交互/接触的机器人。与传统工业机器人不同,协作机器人拓展了机器人功能内涵中“人”的属性,使机器人具备一定的自主行为和协作能力,可在非结构的环境下与人配合完成复杂的动作和任务,使机器人真正成为人的合作伙伴,结合人的智力、灵巧性和机器的体力、力量和准确性,人机协作完成诸如精密装配等工作,解决传统工业机器人应用的局限性。

根据机器人与人的协作程度,协作等级从工人与机器人共享工作区域但没有直接接触或同步任务,最高到机器人会实时调整其运动以配合工人的动作。目前, 最常见的协作机器人应用场景是机器人和工人共享工作区域,彼此并肩工作,按顺序地完成任务。

图表 17:协作机器人的分类

协作机器人发展历程,协作机器人技术及市场未来趋势

协作机器人分类

国内外发展现状

近几年协作机器人获得了广泛关注。其概念的首次提出早在20 世纪90 年代。1996 年,美国西北大学的 2 位教授 J.Edward Colagte 和 Michael Peshkin 首次提出了协作机器人的概念并申请了专利。经过 20 多年的发展,全球已经有超过 50 家机器人公司研制出各自的协作机器人。目前部分协作机器人已经被应用于汽车装配、医疗、仓储物流、服务等领域。国内关于协作机器人的研究起步相对较晚, 但近几年协作机器人市场的火热,很多企业也推出了一些优秀的产品。尽管协作机器人炒得很热,但是据国际机器人联合会初步统计,在 2017 年全球安装的 38.1 万台工业机器人中,只有不到 4%是协作机器人。

一、国外发展现状

2005 年,致力于通过机器人技术增强 SMEs 劳动水平的 SME Project 项目开展,协作机器人发展迎来契机。同年,协作机器人企业 Universal Robots 在南丹麦大学创立。2008 年 Universal Robots 公司推出全球首款协作机器人 UR5。其本体拥有六个关节,重 18kg,有效负载 5kg,臂展 800mm,重复精度±0.1mm ,具有安装迅速、部署灵活、安全可靠、编程简单等特点。

随着 UR 系列异军突起,协作机器人市场的大门被打开,以“四大家族”为首的传统工业机器人企业纷纷将目光投向这一新领域,同时,许多初创科研企业, 如 Rethink Robotics、Kinova Robotics 等也先后推出自己的优秀产品。

Rethink Robotics 的双臂机器人 Baxter 以及 7 自由度单臂协作机器人 Sawyer, 以其独特的结构设计和出色的控制性能,赢得了多方赞誉。Sawyer 臂展 1260mm, 有效负载 4kg,可以在狭小的空间内工作。其手臂上集成了视觉系统,使其能胜任高精度贴片和装配任务。同时,结合多种传感器新型,保证了操作人员安全。

2018年10月,rethink 宣布企业破产,rethink产品及技术由HAHN Group收购。

2014 年 11 月,库卡在中国首次发布库卡公司第一款 7 轴轻型灵敏机器人LBR iiwa,它首次实现人类与机器人之间的直接合作,并开启了库卡“人机协作”的新篇章。LBR iiwa 机器人的结构采用铝制材料设计,其自身重量不超过 30 公斤,负载重量可分别达到 7 公斤和 14 公斤,超薄的设计与轻铝机身令其运转迅速,灵活性强,不必设置安全屏障。

ABB 在2015 年德国汉诺威工业博览会上将双臂人机协作机器人YuMi 正式推向市场。Yumi 双臂灵巧,且以柔性材料包覆,同时配备创新的力传感技术,实现与人类的近距离协作。

2016 年 Fanuc 推出 CR 系列机器人 CR-35iA、4iA、7iA 和 7iAL。CR 系列机器人肢体采用软性材料,将力矩传感器集成在机器人底座上,符合新出台的安全标准,配有运动捕捉功能,机器人手腕部最大负载达到 35kg,可以在没有安全围栏隔离的情况下与人一起工作。

Fanuc推出的协作机器人,也新改动了机器人的外观颜色,采用了环保型的绿色。

二、国内发展现状

在国外协作机器人研究开展的如火如荼的同时,国内协作机器人研究也成果显著,除了原有的工业机器人知名厂家纷纷推出自己的协作机器人以外,也催生了众多专注于协作机器人开发的新型机器人公司。

作为国内工业机器人领军企业,新松在 2015 年 11 月上海工博会上率先推出了国内首款高端7轴人机协作机器人。这款柔性多关节机器人具有快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测等功能,具备高负载及低成本的有力优势,能够满足用户对于投资回报周期短及机器人产品安全性、灵活性及人机协作性方面的需求。

新松七轴机器人,目前主要的客户群,还是一些研究机构及高效,在企业现场应用的情况仍然不多。主要在于售价较高。

遨博智能科技有限公司先后发布了 3 款具有自主知识产权的工业协作机器人。AUBO-i5 基于ROS,采用CAN 总线通讯接口,自重5kg,重复定位精度达±0.05mm 。并采用开放式控制系统,提供软件二次开发的 API 接口。在结构上采用模块化设计,使其组装维护得以简化,同时能有效降低成本。

协作机器人发展历程,协作机器人技术及市场未来趋势

台湾达明 TM5 系列六轴协作机器人,达明机器人的 TM5 协作机器人内建视觉系统,整合视觉软硬体,具备多采多姿的机器视觉功能,能够侦测、辨识物体形状、颜色,并能读取条码等编码信息。透过 easy to use 的人机介面,带给使用者全新的使用经验,运行弹性大,容易达成无治具、少周边的自动化任务。通过TM5 的手拉教导及内建视觉的整合,即使未具机器人使用经验的使用者也能轻松应用,在 5 分钟内即可完成视觉取放任务的教导。同时,TM5 教导容易,适合布署不同任务,达到弹性自动化的目标,大幅降低自动化时间及成本。

2016 年的上海工博会,大族电机携最新产品 Elfin 六轴协作机器人精彩亮相。机械臂采用模块化安装,装配快捷,控制简单,维修方便,成本较低。其自重 21kg, 额定负载 5kg,重复精度可达±0.1mm ,能够满足生产需求.作为协作机器人,Elfin 可配合工人工作,也可用于集成自动化产品线、焊接、打磨、装配、搬运、拾取、喷漆等工作场合,应用灵活广泛。

协作机器人产品特点

协作机器人技术发展特点主要体现在易用性、灵活性、安全性三个方面。

1、易用性

易用性是机器人控制器设计的重中之重,其中涉及具体技术包含各类图形化编程、工艺包、示教方式、指令丰富程度、二次开发平台、系统扩展性(硬接口, 软协议),离线编程软件等。虽然,协作机器人的拖动示教功能特性免去了传统工业机器人复杂的编程和配置,使其操作简单、易上手。但是,目前市场的一些协作机器人产品,它们提供的图形界面只能完成一些简单的拣选/取放任务,仍存在易用性不强的问题。为提升协作机器人的易用性,行业内企业对机器人编程语言进行开发优化,使机器人能适应复杂工作环境。如 UR 机器人采用一种专利技术的图形化编程方式,把复杂的指令简化为组合按钮形式,配合拖动示教完成机器人的编程;日本 Mujin 提供一种简单快速的 3D 环境重建方法及针对复杂环境进行自动轨迹规划的技术,可大幅降低机器人部署时间和工作量;Franka 推出图形化编程系统,通过组合不同的基本元素,使用户可在不具备任何专业知识的情况下编写复杂的机器人程序。随着协作机器人应用领域的不断扩展,要提升协作机器人简单易用性,提供更简单直观,功能更强大的编程方法仍将协作机器人企业长期努力的方向。

2、灵活性

从软件层面来看,协作机器人系统多数具有学习和演化的能力,使其产品具

有适应性、灵活性,它们主要采用增强型学习方法和遗传规划,可实现多机协同作业。然而,目前的多机器人学习和演化还停留在比较低的行为层次,其学习和演化的任务和环境也非常简单,当其面对更为复杂的任务和环境时,存在时滞评价和组合爆炸问题。同时,对多智能体的分布式学习与演化,也与传统的集中式的学习与演化方法有明显区别,还有待寻找更为有效的行为优化方法。

从硬件层面来看,目前,协作机器人技术产品多数为 6 自由度及以上的多关节机器人,自重及负载都较小,产品安装方式及其移动部署相对灵活。适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业如电子、医药、精密仪器等行业,满足更多工业生产及服务行业的操作需要。

3、安全性

安全问题作为实现人机协作一个前提条件,只有保障了操作人员的人身安全, 才能更好的协同工作,提高企业效率。为有效规范协作机器人设计及安全,国际标 准 化 组 织 于 2016 年 3 月 发 布 了 《 ISO/TS15066 Robots and robotic devices–Collaborative robots》标准,该标准作为支持 ISO10218“工业机器人安全标准”的补充,进一步明确了协作机器人的设计细节及系统安全技术规范。

各协作机器人企业都通过开发硬件或者软件,抑或两者兼备的方式确保其能实现人机协同作业,但不同企业实现途径不一。如优傲利用其专利传感器技术帮助其实现功率和力的限制功能,能够监控电机的电流和编码器的位置,通过电流和位置数据,推算出力,实现协作机器人的功率和力的限制功能。ABB 的 Yumi 在硬件上通过被软性材料包裹的塑料外壳,能够很好地吸收对外部的冲击;在软件上有运动速度和功率限制的设计,当它与工人或其他物体接触时,内置的传感器就能检测到。Rethink 协作机器人产品通过搭载串联弹性驱动器(SEA),将力矩控制转化为弹簧形变量控制,实现精确的力矩控制。发那科在底座安装力传感器, 来检测外力。博世协作机器人配备机器人保护皮衣 APAS(触觉检测装置),检测受力情况并可向控制器提供即时反馈,确保人员安全。

由于协作机器人具有高安全性,其适合要求人员介入的有限空间作业的场景, 大部分是涉及装配,例如电子产品装配,机器人来放置零件,操作人员负责组装。

因为体积小,重量轻,安装和调试简单,同样的一台机器可以相对方便的移动位置,重新进行示教,极大的提高了生产线的柔性,减少的投入。

随着制造业的转型升级,以计算机、通信及消费量类电子产品为代表的 3C 产业蓬勃发展,产品生命周期变得越来越短,用户个性化需求也越来越高。面对生产线变更时间需大幅缩短,工作空间狭小等问题,传统的“非自动即动手”的生产装配模式已难以应对,大量工作需要人和机器人人协作完成。因此,为搭建灵活高效的制造系统,人机协作成为有效解决方案。人机协作不仅是解决现实问题的需要,也是长远发展的选择。

协作机器人的未来发展趋势

近年来,相比成熟的国外市场,协作机器人在国内尚处于起步阶段,但发展速度十分迅猛。小型化、轻量型、协作机器人,其灵活高效的生产模式、用户友好的操作界面以及理想的投资回收周期,降低了企业自动化改造的门槛,使得越来越多的制造企业更愿意通过协作机器人来实现降本增效。协作机器人的发展趋势有以下几点:

一、产品设计多样化、个性化

近年来,国内众多厂家投入到协作机器人的研发中。从最开始的仿照 UR 等国外厂家的外形,到如今更多工业化设计的产品出现,国产协作机器人逐渐崭露头角。不仅仅在外观上,国产配套零部件的发展也受行业趋势影响加速了成长。国内机器人核心零部件一直是制约国产机器人发展的最大瓶颈,这个问题在协作机器人产品中尤为突出。一直以来,协作机器人所使用的直驱电机、模块化编码器、力矩传感器等核心部件受制于国外品牌牵制,在货期和价格上都有很大劣势。随着行业的发展,越来越多的国产配套厂家在与机器人本体厂家的磨合中提升了自己的产品质量,使得产业良性循环得以继续,在性能和价格上大家得以寻求到一个平衡点。

二、模块化设计

模块化的设计概念在协作机器人上体现的尤为突出。科尔摩根最开始利用其电机厂家的优势突出关键模块单独销售,一定程度上给了国内厂家很多的学习和参考。像大族机器人、尔智机器人、HRG 岳阳研究院等均推出了自己的模块化关节。快速可重构的模块化关节为国内厂家提供了一种新思路,加速了协作机器人的设计。用户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。随着关节模块内零部件国产化的普及,价格也在逐年降低。

协作机器人发展历程,协作机器人技术及市场未来趋势

科尔摩根RGM机器人关节模块

三、市场定位逐渐清晰

在协作机器人出现之初,很多人对于其市场应用前景抱有很大的怀疑。价格高,负载小,速度低,安全性高,是最初大家对协作机器人的直观印象。低性能和高安全性,似乎不适应我们要求高效率和高产能的工业应用场景。但是随着制造业生产模式在快速从少品种、大批量向多品种、小批量转变,大部分制造企业常常面临日益增大的成本压力、产品多样化需求不断增加以及时刻变化的产量需求等挑战。而传统的工业机器人,是在保护栏后面,与工作人员相隔离,在工作流程上,也是和人的其他工作相屏蔽,这就呈现出工作流程环节和生产模式上的相对固化。个性化定制和柔性化生产所需要的已经不是传统的生产方式,不断迭代的产品对机器人组装工艺的通用性、精准度、可靠性都提出了越来越高的要求。为了应对这一挑战,需要更柔性、更高效的解决方案,那就是智能化与协作,制造方式必然需要具备更高的灵活性和自动化程度。由此,能和工人并肩协同工作的协作机器人成为迫切需求。

越来越多的厂家开始找到自己的定位。例如国内市场反馈不错的北京遨博, 他们就聚焦于 3C 行业、冶金材料、涂料等行业,针对行业特点和企业需求,为众多的中小微企业提供灵活的个性化的智能制造方案。

总结,事实上协作机器人是否代表工业机器人的未来,目前并不明朗,但协作机器人能够成为整个机器人产业一个重要的补充领域,这是不争的事实。

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