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珞石機器人任賾宇：柔性協作機器人爲何是機械臂的未來趨勢

柔性協作機器人技術,即是在機器人的應用過程中,解決機器人與環境接觸交互問題的有效解決方案。而在和人類頻繁交互的應用場合,爲了提高機器人使用的安全性與智能性,柔性協作機器人應運而生。

協作機械臂的技術背景

協作機器人(Cobots),是設計和人類在共同工作空間中有近距離直接接觸的機器人。當前大部分的工業機器人是設計自動作業或是在有限的導引下作業,因此不用考慮和人類近距離互動,其動作也不用考慮對於周圍人類的安全保護,而這些都是協作式機器人需要考慮的機能。

早在1994年,在美國“通用汽車計劃”中,人與機器人安全協同的需求就被提出,在此後的1996年西北大學的J. Edward Colgate和Michael Peshkin正式將協作機器人的概念提出。

2003年德國宇航局的經典款藍色LWR III問世,該機器人可以說是協作機器人中的經典款,奠定了當今諸多協作機器人的技術基礎。

2008年,Universal Robots推出了市場佔有率較高的協作機器人UR5協作機器人,該款機型也爲UR日後強大的市場佔有率奠定了基礎。再往後就是美國的Rethink Robotics於2012年推出了雙臂協作機器人Baxter。最後是2013年德國KUKA iiwa的發佈,該款機型可以說是當時協作機器人的技術巔峰。

可以這樣來說,2013年以前可看作協作機器人發展的初級階段,從2013年之後,國內和國外協作機器人的廠商與其相應機型就如雨後春筍般爆發出來。如果我們從外力測量的方式來分類,協作機器人可以分爲如下幾類:

基於電流環的外力檢測,如UR5;

基於集成應變片的力傳感器進行外力檢測,如KUKA iiwa;

通過磁和編碼器的方式觀測外力,如Baxter帶有串聯彈性驅動器和內置傳感器。

協作機械臂的性能需求

相比運用在大負載、相對規則的生產環境中傳統的工業機器人,協作機器人是可以與人類進行近距離接觸的,其工作環境非結構化程度較高,具體體現於人類的高度參與和複雜的工作空間,如科研領域、醫療領域、商業領域和工業領域等環境。

那麼不同的場景對協作機器人有着不同的需求。

首先是在人類高度參與的環境中,協作機器人就要有較強的人機交互能力,具體體現在協作機器人的安全性和易用性兩方面:

其次針對複雜的工作空間,就要求協作機器人有着較強的空間適應能力,具體有以下三點:

協作機械臂及其關節的設計

在分享關節&臂的設計之前,我們先對前面幾款典型協作機械臂關節&臂的特性進行一個總結:

1、類UR關節

在UR的關節中,從左到右依次是輸出法蘭、諧波減速器和用於中空走線的中空套筒;UR關節一個很大的特點是將無框力矩電機的外殼與輸出連桿做成了一體;再往後是無框力矩電機和高低速的雙編碼器,它的測量原理是把輸出端的低速通過中間的傳動軸傳到電機的尾部,然後在電機的尾部和電機的高速端一起做高低速的位置測量,這樣有較好的集成性;最後是整體關節的驅動器位於高低編碼器的尾段,然後是插針式抱閘,基於此原理的抱閘會造成制動後在電機端存在一個約60°角的晃動,即使說通過一個高減速比諧波減速器,在末端仍然會有比較大的偏差。

2、KUKA-iiwa關節

KUKA-iiwa關節最左端是類似杯狀的力矩傳感器,因爲較薄的外壁導致其成本控制相對較難,然後是輸出端的編碼器,不同於UR,iiwa就是將編碼器置於輸出端進行測量;接下來是用於徑向抗彎支撐的交叉滾子軸承和諧波減速器;再接着是電機模塊,其包含了無框力矩電機+電機端編碼器+抱閘,集成度是非常高的,且用了緊湊型側向讀數頭;緊接着是關節的功率轉換板、電機控制板和電源板,最後是用於散熱處理的風扇,末端是外殼連桿。

3、類Sawyer關節

Sawyer關節與UR5和庫卡最大的不同是在諧波減速器後集成了一個彈性體編碼器,其通過測量兩個端面的偏角再乘以抗扭截面係數得到關節的力矩,其中這個偏角是通過磁環+編碼器的方式獲得。這種方式致使關節的整體高剛度、低成本實現、力矩高測量精度這三個性能不能兼得。

4、珞石GIA

在做協作機器人前先做關節是因爲伺服關節的力控性能是協作機械臂整體力控表現的基礎,從測試的結果來看,關節力控難點體現在三方面:一是對諧波減速器傳動特性引起的紋波的抑制;二是因引入諧波減速器的摩擦力精確建模與補償;三是對基於應變片的力矩傳感器噪聲與對稱性的處理。

那麼接下來是對典型協作機械臂整機設計小結:

協作機械臂的當前應用

經過諸多協作機器人廠商的嘗試與推廣,當前協作機器人的應用主要集中在工業場景、科研場景、醫療場景與商業場景等領域,針對每個場景的具體應用demo可參見如下:

工業場景

科研場景

醫療場景

商業場景

協作機械臂的未來發展

未來協作機器人在本體設計方面的設計發展趨勢,主要還是關注緊湊化、潔淨度與提高負載自重比等,總體來說,協作機器人在本體設計與控制方面,原理性的技術都已經相對成熟,當前更多的精力可能還需要聚焦於產品的定位、提高產品可靠性與降低價格等:

而在應用場景的發展上,協作機器人以“更輕、更安全、更好用”的底層邏輯是正確的,但量大的剛需場景仍在探索中,下圖是一些可能會需要應用到協作機器人的場合,供大家參考:

珞石機器人任賾宇：柔性協作機器人爲何是機械臂的未來趨勢

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