協(xié)作機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人必然殊途同歸

協(xié)作機(jī)器人現(xiàn)在還是很火！這是廢話，不談了。 從協(xié)作機(jī)器人面世開始，關(guān)于協(xié)作機(jī)器人是否會取代工業(yè)機(jī)器人的討論一直未停過。

我的理解是，協(xié)作機(jī)器人處于發(fā)展的初級階段，市場規(guī)模逐年擴(kuò)大，但還處于向工業(yè)機(jī)器人“虎口奪食”的狀態(tài)，現(xiàn)在談協(xié)作機(jī)器人要把工業(yè)機(jī)器人“滅了”只能說“風(fēng)口上的豬，吹著吹著飄了”。

協(xié)作機(jī)器人的定義是指被設(shè)計(jì)成可以在協(xié)作區(qū)域內(nèi)與人直接進(jìn)行交互的機(jī)器人，可以理解為共享工作空間與協(xié)同作業(yè)，核心是安全。當(dāng)前協(xié)作機(jī)器人對安全的主流設(shè)計(jì)采用的是降速與碰撞檢測。

試想如果工業(yè)機(jī)器人有額外的技術(shù)使其變得安全，那工業(yè)機(jī)器人與協(xié)作機(jī)器人之間其實(shí)就不會像是看著“粗壯的、跑得快的”是工業(yè)機(jī)器人，而“長得像UR的”就被認(rèn)為是協(xié)作機(jī)器人，當(dāng)前技術(shù)水平的限制使得現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人與協(xié)作機(jī)器人界線分明，而隨著技術(shù)的發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人必然殊途同歸。

事實(shí)上，“超界者”已經(jīng)出現(xiàn)了。

ABB最新發(fā)布的CRB 1100就是一個典型的例子。從外形上看，CRB 1100跟IRB 1100 差別不大，只不過是增加了一個激光掃描儀，通過感知人體與機(jī)器人的距離來調(diào)整機(jī)器人的工作狀態(tài)，以此達(dá)到安全目的。這樣的CRB 1100就成為了“合理合法”的協(xié)作機(jī)器人，同時(shí)保留了工業(yè)機(jī)器人的高速、高精度。

協(xié)作機(jī)器人也有向工業(yè)機(jī)器人性能靠攏的明顯趨勢，負(fù)載上，從最開始的UR3、UR5、UR10，現(xiàn)在已經(jīng)往12KG、15KG、20KG、30KG等更高負(fù)載發(fā)展；精度上，從最初的0.1mm開始慢慢變成0.05mm、0.03mm、0.02mm；速度上，從1m/s變成1.5m/s、3m/s…… 這一切都在說明，工業(yè)機(jī)器人與協(xié)作機(jī)器人正在發(fā)生融合，最終所有機(jī)器人都應(yīng)該具備安全特性，只是針對不同的應(yīng)用場景，機(jī)器人的形態(tài)不同而已。

我不同意協(xié)作機(jī)器人這個“后浪”會把工業(yè)機(jī)器人這個“前浪”拍死在沙灘上，但我認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人最終必然會消失。而打敗工業(yè)機(jī)器人的不是協(xié)作協(xié)作機(jī)器人，而是時(shí)代。

工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)生背景是規(guī)?；⒕?xì)化生產(chǎn)。把一個產(chǎn)品分散成模塊化組件，組件再分解為標(biāo)準(zhǔn)化零件，把生產(chǎn)工藝切割成若干個標(biāo)準(zhǔn)化流程，這是工業(yè)機(jī)器人最擅長的。

然而，一方面?zhèn)€性化的需求越來越多，限量版、定制版越來越受歡迎，當(dāng)技術(shù)上去了，成本下來了，“奢侈品”規(guī)?；a(chǎn)的需求就會大大減弱；另一方面，讓我們開一下腦洞，如果對產(chǎn)品的分解突破原材料將發(fā)生什么？

如果有一天，我們對物質(zhì)的成型不再止于原材料，而是可以控制構(gòu)成一切物質(zhì)的基本粒子——原子的話，那生產(chǎn)方式就可以實(shí)現(xiàn)一步到位。3D打印是我能想到的最接近的描述。

當(dāng)前的3D打印是塑料，正在發(fā)展的3D打印是金屬，那么如果被打印的是原子，是不是就變成萬物皆可打印了？

聽起來似乎很遙遠(yuǎn)，但也不是不可能。所以說當(dāng)時(shí)代變了，生產(chǎn)方式發(fā)生本質(zhì)的改變，游戲規(guī)則變了，協(xié)作機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人之間重疊部分也必將消失，只有特定的應(yīng)用場景被保留下來。

本體之變

想象一下，協(xié)作機(jī)器人后續(xù)可能會發(fā)生什么變化？ 首先是本體。其實(shí)協(xié)作機(jī)器人可以看作是工業(yè)機(jī)器人向模塊化、集成化、安全化探索下的產(chǎn)物。

兩者都離不開電機(jī)、減速機(jī)、編碼器、驅(qū)動器、控制器，只是原來在工業(yè)機(jī)器人中，這些零部件在各家的設(shè)計(jì)中擺放各不相同，而協(xié)作機(jī)器人巧妙地把這些集成到一個關(guān)節(jié)模組中，通過大小不同、數(shù)量不一的模組，加上不同形狀的連桿，就成了不同的機(jī)器人。

以下圖的6軸工業(yè)機(jī)器人為例，6個關(guān)節(jié)中12346采用電機(jī)與減速機(jī)直連，5軸采用同步帶傳動的方式把電機(jī)往后面放（這是比較簡單的方式，還有其他各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)就不一一列出），外面再連接一個電控柜，電控柜主要零部件是6個驅(qū)動器與1個控制卡（其他輔助的暫忽略）。

再看協(xié)作機(jī)器人：

1、把同步帶傳動去掉，把額外的齒輪傳送去掉，只保留電機(jī)與減速機(jī)直連的方式。

2、把1個電機(jī)編碼器分成2個編碼器分別分布在輸入端與輸出端，把電池省掉了。

3、電機(jī)去掉外殼，與減速機(jī)集成到一起。

4、由于電機(jī)采用低壓，驅(qū)動器可以做得很小，于是驅(qū)動器從控制柜就拉出來，與電機(jī)集成到一起分布到各個關(guān)節(jié)中。

正在發(fā)生和未來將發(fā)生的“本體之變”如何？

1、模組的規(guī)格會進(jìn)一步拓展。

按照諧波減速器的規(guī)格，目前模組擁有14、17、20、25、32這5種規(guī)格，覆蓋目前從1kg到20kg負(fù)載的機(jī)器人規(guī)格。隨著協(xié)作機(jī)器人向大負(fù)載發(fā)展， 32的諧波已經(jīng)不能滿足需求，再往上就是40諧波、50諧波或者RV減速機(jī)才能滿足需求。而往小了走，可能會出現(xiàn)比14還小的諧波，或者非金屬減速機(jī)以達(dá)到小型輕量的目的。

2、力傳感器會“消失”。

目前的協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)大部分采用的是電流反饋?zhàn)隽?，沒有配置力傳感器。而高端玩家是在輸出端增加了力傳感器，這一步其實(shí)相當(dāng)艱難，力傳感器的設(shè)計(jì)調(diào)試都相當(dāng)困難，算法我們先不談，光是力傳感器本身的制造工藝性、可靠性、維護(hù)性目前都是一大瓶頸，價(jià)格還很高昂。而在未來，力傳感器必然會流行起來甚至變成標(biāo)配，最終則會“消失”，與減速機(jī)融為一體。于是，各家在機(jī)械部分的差距會縮小，算法將是制勝關(guān)鍵。

3、減速機(jī)最終會消失，是真的消失。

減速機(jī)的作用顧名思義是減速增力，是因?yàn)樵诋?dāng)前的技術(shù)限制下，伺服電機(jī)的力矩密度太小，在功率相同的情況下，把速度降下來，就可以把力矩提升上去。

未來很可能直驅(qū)電機(jī)會代替電機(jī)+減速機(jī)的組合，早在20多年前，Adept就有直驅(qū)版SCARA——AdeptOne，只是到現(xiàn)在為止還是卡在直驅(qū)電機(jī)的體積、重量、控制上未能有明顯突破。假設(shè)直驅(qū)能做得夠小，同步帶傳動、齒輪傳動也會消失，一個直驅(qū)電機(jī)就是一個關(guān)節(jié)，并且由于沒了減速機(jī)的緩沖，外部力直接反饋到電機(jī)，力傳感器也不用了。

屆時(shí)。所謂工業(yè)機(jī)器人與協(xié)作機(jī)器人，只不過是直驅(qū)電機(jī)以何種外殼與連桿包覆而已。

4、控制柜也會“消失”。

控制柜這個“累贅”是早在20多年前的大神們就想踢掉的，各類研究與樣機(jī)不斷，只是苦于各種客觀因素一直未有真正量產(chǎn)的產(chǎn)品出來。國產(chǎn)中直到2013年李群在DELTA機(jī)器人中率先把控制器放到了DELTA的基座中，再往后ABB、EPSON也相繼有無控制柜的產(chǎn)品面世。

在無控制柜的路上，當(dāng)前主要有兩個方向，一個是“驅(qū)控一體”，把驅(qū)動器與控制器融為一體，并且高度集成，小到可以放到機(jī)器人底座里；另一個就是現(xiàn)在協(xié)作機(jī)器人在做的，采用低壓驅(qū)動，把驅(qū)動器打散跟電機(jī)集成到一起。

最終控制器是否也會打散分布到各個關(guān)節(jié)當(dāng)中呢？這樣一來，就變成每一個關(guān)節(jié)都是一個獨(dú)立的機(jī)器人，一臺機(jī)器人就變成了若干個機(jī)器人的協(xié)同合作。這在現(xiàn)在的技術(shù)水平下已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，只是受限于體積與成本，只在實(shí)驗(yàn)室看到過這樣的概念機(jī)，但是相信在不久的將來會有這樣的產(chǎn)品出現(xiàn)。

5、線纜會逐步減少乃至消失。

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的做法是把所有的線纜從各個關(guān)節(jié)引到基座，然后基座與電控之間再由一根或兩根很粗的線纜連接。李群的做法是把電控柜放到了基座里，這樣外部的線纜就沒了，但是各個關(guān)節(jié)的線纜還是需要引到基座，而UR的做法是把驅(qū)動打散分到各個關(guān)節(jié)，這樣各個關(guān)節(jié)形成串聯(lián)的形式，大大減少了線纜數(shù)量。

關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的線纜主要是通訊與供電。 假設(shè)未來無線通訊足夠強(qiáng)大，比如從5G發(fā)展到50G，足夠快，足夠安全的時(shí)候，各關(guān)節(jié)之間完全可以使用無線傳輸信號。而供電方面，現(xiàn)在無線供電已經(jīng)在照明、傳感器等領(lǐng)域有產(chǎn)品出現(xiàn)，轉(zhuǎn)到機(jī)器人上只是時(shí)間問題。

人機(jī)交互之變

協(xié)作機(jī)器人定義的兩個重點(diǎn)是共享空間與協(xié)同作業(yè)。共享空間現(xiàn)在已經(jīng)做到了，但還有很大的改善空間，而協(xié)同作業(yè)，現(xiàn)在還只是開了個頭而已。

首先，共享空間的前提是安全，現(xiàn)在的安全策略還停留在被動防御上。以UR為典型，安全策略是速度慢，一旦人體碰到，機(jī)器人會馬上停止運(yùn)動，最大限度減少傷害。而以KUKA iiwa為典型的是增加力傳感器，進(jìn)一步增加力反饋的及時(shí)性與準(zhǔn)確性。

再有就是在碰撞檢測的基礎(chǔ)上包一層緩沖材料，甚至緩沖材料本身也是一種傳感器，提供緩沖的同時(shí)，也可以檢測到接觸并馬上停止。

以上都是接觸式防御，現(xiàn)在市場上也出現(xiàn)了“非接觸式”的防御。如越疆科技的電子皮膚，在人體接近機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人停止動作甚至主動避障；也有ABB的CRB 1100，當(dāng)人處于機(jī)器人工作空間外的時(shí)候就已經(jīng)開始監(jiān)測，按人體離機(jī)器人的距離來決定機(jī)器人的動作。

以上防御都切實(shí)有效，但都各有漏洞，要么是離機(jī)器人很近才被感知到，要么是把人體當(dāng)成一個質(zhì)點(diǎn)來監(jiān)測整體距離。目前國外的實(shí)驗(yàn)室也有在研究采用視覺監(jiān)測人體的動作來更靈活地進(jìn)行防御。

第二，協(xié)同作業(yè)方面，要么就是人與機(jī)器人在同一個工作空間，你干你的，我做我的；要么通過一些標(biāo)準(zhǔn)的信號交互，比如放在指定位置并通過IO的方式告訴機(jī)器人，或者機(jī)器人定期去固定的位置檢測是否有指定的物體出現(xiàn)。

可以預(yù)測，在未來的機(jī)器人系統(tǒng)中，人體的肢體運(yùn)動也受到實(shí)時(shí)監(jiān)測，大到人體走動，小到人體伸出一個手指的動作都被系統(tǒng)捕捉到，機(jī)器人就可以預(yù)判人體的動作并做出相應(yīng)的反應(yīng)。

那么，要做到上述效果需要怎樣的功能支持？ 首先是視覺與機(jī)器人的集成，機(jī)器人不再是被動的在指定地點(diǎn)搜尋，而是“眼觀四路、耳聽八方”，只要進(jìn)入視野內(nèi)的物體都可以被捕捉到，所見即所得。

其次就是強(qiáng)大的智能圖像處理能力，能自行搜尋所需目標(biāo)。比如協(xié)作機(jī)器人+AGV的組合做物料的轉(zhuǎn)運(yùn)，當(dāng)物料擺放位置隨意時(shí)，機(jī)器人就可以采用搜尋動作，而不是拍個照看一下，再調(diào)整位置，再拍個圖看一下。自動駕駛、人形機(jī)器人、大小狗也是如此。

再次，人機(jī)交互方面，從工業(yè)機(jī)器人的指令編程，到協(xié)作機(jī)器人的圖形化編程，編程會越來越簡單，代碼會越來越少。

近期，大族機(jī)器人也發(fā)布了一個視頻DEMO，人機(jī)交互變成了語音編程，相信當(dāng)前的語音編程與早期的智能音箱相似，都是通過提取語言中的關(guān)鍵詞來變成指令。而隨著語音識別與人工智能的發(fā)展，語音編程必然流行起來。并且，如果更人性化一點(diǎn)，通過與某個人的長期合作，機(jī)器人也許可以通過合作者的面部反應(yīng)給出相應(yīng)的反饋以完成合作。

如果再往遠(yuǎn)了想，當(dāng)腦機(jī)技術(shù)成熟時(shí)，那人機(jī)交互更是一切盡在不言中。不過，是腦機(jī)技術(shù)先出來，還是開頭的萬物皆可打印先出來，誰知道呢。

最后說兩句

協(xié)作之火，頗有燎原之勢，但這并非毀滅之火，而是新生之火，最終促進(jìn)的是機(jī)器人這一整個大的品類往安全化、模塊化、智能化發(fā)展。未來的機(jī)器人，不管是否存在協(xié)同作業(yè)，都必然是安全的機(jī)器人。 而對國產(chǎn)機(jī)器人來說，不管是工業(yè)機(jī)器人還是協(xié)作機(jī)器人，我們?nèi)蕴幱谄鸩诫A段，小步快走，利用近水樓臺的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢逐步縮小差距才是正途！

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