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

作者：包文濤，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所工學(xué)碩士，在機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有超過10年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。曾任職于ABB集團(tuán)，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(xiàng)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

系列文章將從下面幾個(gè)方面試圖解釋協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展，及探尋激烈的市場(chǎng)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(jī)器人規(guī)范出籠，說明了什么問題？

4. 各協(xié)作機(jī)器人公司的技術(shù)起源

5. 國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r

6. 協(xié)作機(jī)器人公司處于競(jìng)爭(zhēng)不敗之地的緣由

下文將討論第二個(gè)話題

協(xié)作機(jī)器人-激烈的市場(chǎng)誰能殺出重圍

為什么協(xié)作機(jī)器人能夠興起？

2007年以來，協(xié)作機(jī)器人開始進(jìn)入工業(yè)，探尋各種應(yīng)用場(chǎng)合下推廣使用的可能。進(jìn)入2014年后，協(xié)作機(jī)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(jī)器人成為炙手可熱的機(jī)器人方向。然而協(xié)作機(jī)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(cuò)的路上，更多的一波又一波創(chuàng)業(yè)公司在資本的推動(dòng)下涌入，道路崎嶇，前程未知。

2017年9月，國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)發(fā)布了2017-2020年市場(chǎng)預(yù)測(cè)。其中在其主體報(bào)告中，著重強(qiáng)調(diào)了未來的趨勢(shì)：

?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(huì)的趨勢(shì)總結(jié)概括一下，可以用下面一句話總結(jié)：簡(jiǎn)單易用、靈活、安全協(xié)作型的機(jī)器人，會(huì)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(jī)器人發(fā)展的最主要趨勢(shì)。

為什么協(xié)作機(jī)器人能夠興起成為機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)？這個(gè)話題要從機(jī)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(jī)器人在推動(dòng)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展中起到了非常重要的作用。

世界上第一臺(tái)真正意義上機(jī)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(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate，它采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的它龐大而又笨重，只能完成最簡(jiǎn)單的搬運(yùn)動(dòng)作。

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

Unimation公司在機(jī)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(xué)物理學(xué)士和電子工程碩士學(xué)位。1950年，恩格爾伯格讀到了阿西莫夫的小說集《我，機(jī)器人》(I， Robot)，愛不釋手，產(chǎn)生了制造機(jī)器人的念頭。1956年的一場(chǎng)酒會(huì)，他偶遇發(fā)明家德沃爾(George C. Devol)。后者提到，他剛剛申請(qǐng)了一個(gè)專利，叫做“可編程的用于移動(dòng)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(jī)器人嗎!”兩人一拍即合，決定合作創(chuàng)立一家生產(chǎn)機(jī)器人的公司——Unimation。

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

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

通用汽車開始訂購更多的機(jī)器人，安裝在各地的工廠，承擔(dān)的工作擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，鞏固和擴(kuò)大了通用汽車在行業(yè)領(lǐng)先地位。于此同時(shí)福特汽車、克萊斯勒等其他汽車公司紛紛跟進(jìn)，將機(jī)器人用于各自的汽車生產(chǎn)流水線。

這樣，機(jī)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(jī)器人。后續(xù)日本汽車工業(yè)開始引進(jìn)機(jī)器人，在生產(chǎn)線開始部署使用機(jī)器人來代替人工操作。日本人以其工作認(rèn)真、做事精益的作風(fēng)將機(jī)器人的使用的價(jià)值充分發(fā)揮。后來，日本誕生了許多世界級(jí)的機(jī)器人公司，從最開始引進(jìn)機(jī)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(jī)器人公司在機(jī)器人界占據(jù)了重要位置。

汽車大規(guī)劃生產(chǎn)使用的機(jī)器人，我們一般稱之為傳統(tǒng)機(jī)器人。機(jī)器人進(jìn)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(jì)，2010年之前，全世界用于汽車工業(yè)的機(jī)器人也已經(jīng)達(dá)到總用量的37%，用于汽車零部件的工業(yè)機(jī)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(dá)國家。

這樣，機(jī)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(jī)器人公司的產(chǎn)品形態(tài)涉及更為廣泛，其中串聯(lián)機(jī)器人技術(shù)最具競(jìng)爭(zhēng)力，在各個(gè)場(chǎng)合串聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用范圍也最為廣泛。

2003年，Esben ?stergaard在南丹麥大學(xué)接受一個(gè)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(chǎng)上所有已經(jīng)存在的機(jī)器人，也都無法找到一款能滿足靈活易用、無需特殊防護(hù)就能使用的機(jī)器人。當(dāng)時(shí)機(jī)器人市場(chǎng)的主要產(chǎn)品是大型、昂貴且笨拙的機(jī)器人。我們?cè)凇督颐豏ethink公司為何倒閉！“協(xié)作機(jī)器人-激烈的市場(chǎng)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(shí)，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(jià)格便宜的機(jī)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(xiàng)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(jī)器人在2002年后，這個(gè)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(cè)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?jiǎng)?chuàng)造一款易用、靈活、價(jià)格低廉的機(jī)器人。

2005年，Esben ?stergaard，Kasper St?y 和 Kristian Kassow 創(chuàng)立了Universal Robots (優(yōu)傲機(jī)器人)， 基于一個(gè)理念:“要研發(fā)一種易于安裝和使用的輕型機(jī)器人”，并且致力開發(fā)中小企業(yè)也能承受的機(jī)器人技術(shù)， 這個(gè)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(zhǔn)了Syddansk創(chuàng)新投資基金的企劃書，并會(huì)同Syddansk創(chuàng)新投資基金參與了對(duì)Universal Robots (優(yōu)傲機(jī)器人) 的投資和管理。后來Universal Robots (優(yōu)傲機(jī)器人)的產(chǎn)品獲得了廣泛關(guān)注，到目前為止UR機(jī)器人在協(xié)作機(jī)器人廠家中市場(chǎng)份額最大，引領(lǐng)者協(xié)作機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。

協(xié)作機(jī)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(jī)器人使用方式迫切需要轉(zhuǎn)型。機(jī)器人使用集中的汽車行業(yè)，在發(fā)達(dá)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(fèi)品生產(chǎn)企業(yè)逐漸關(guān)閉，因?yàn)檫M(jìn)口發(fā)展中國家的產(chǎn)品價(jià)格更為便宜。我們說逐利是資本主義萬惡的源泉，對(duì)于企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)來講，這是一個(gè)無法忽略的事實(shí)。

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(jì)體的重要組成部分。各經(jīng)濟(jì)體對(duì)中小企業(yè)的界定標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而動(dòng)態(tài)變化，但中小企業(yè)在經(jīng)濟(jì)體中扮演的關(guān)鍵角色卻不容置疑。在歐洲，商業(yè)活動(dòng)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(gè)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(jī)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(dāng)前產(chǎn)品的基礎(chǔ)上迭代更新，推出更為完善的產(chǎn)品，機(jī)器人行業(yè)也是如此。

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

PUMA-560機(jī)器手也是Unimation公司的產(chǎn)品，是一款在機(jī)器人歷史上經(jīng)典的工業(yè)機(jī)器人, 它有6自由度，負(fù)載2kg，采用直流伺服。PUMA-560采用類人的手臂的機(jī)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(dòng)關(guān)節(jié)分別連接類似于人的上臂和下臂, 整個(gè)機(jī)械手和人類比的話，本體相當(dāng)于人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。

Puma系列機(jī)器人的誕生，在工業(yè)和科研領(lǐng)域都有重要影響。機(jī)器人的初學(xué)者都是以這款機(jī)器人為基礎(chǔ)，正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的問題通過解析法和迭代法等傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)。機(jī)器人學(xué)的一系列經(jīng)典教材均用Puma560為教具來講工業(yè)機(jī)器人的理論。如美國人付京遜的《機(jī)器人學(xué)》作為機(jī)器人學(xué)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(gè)著名的機(jī)器人研究所，作為研究生的教材仍然有不少人在使用。

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的發(fā)展，是隨著新型傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及智能與軟物質(zhì)材料的出現(xiàn)，可以預(yù)計(jì)柔性化、軟性化、可變化、微型化和控制智能化，讓新型功能機(jī)器人的出現(xiàn)有可能。

機(jī)器人的各種形態(tài)和作動(dòng)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(jī)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(gè)輪子或者長(zhǎng)相怪異。汽車內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)被新型交直流電機(jī)取代，加注的燃油被可以反復(fù)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(jìn)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(jī)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(gè)方面：

（1）易用

易用性最為直接是拖動(dòng)示教。借助機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，控制器可以實(shí)時(shí)的算出機(jī)器人被拖動(dòng)時(shí)所需要的力矩，然后把提供該力矩給電機(jī)使得機(jī)器人能夠很好地輔助操作人員進(jìn)行拖動(dòng)。力矩的計(jì)算如下列公式所示：

其中

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

摩擦力的計(jì)算是相對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型?；谀壳凹夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，有無傳感補(bǔ)償技術(shù)；加外置力傳感器反饋優(yōu)化模型計(jì)算；彈性裝置伸縮模型計(jì)算等。這一步每家機(jī)器人公司均有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)到無重力拖動(dòng)示教功能。

（2）靈活

機(jī)器人要增強(qiáng)和人的互動(dòng)性，還需要把機(jī)器人當(dāng)成工具使用，這就要求機(jī)器人的使用更加靈活。機(jī)器人本體重量必須要輕，在需要的場(chǎng)合，工人可以任意搬動(dòng)和簡(jiǎn)單安裝，機(jī)器人盡快投入使用。

中空無框電機(jī)直接集成至關(guān)節(jié)軸中，組成模塊結(jié)構(gòu)。電機(jī)可嵌入機(jī)器人底座中，并直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，可進(jìn)行高精度的水平運(yùn)動(dòng)和力度控制。在操作過程中，它們能識(shí)別對(duì)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(shí)現(xiàn)更快互換，技術(shù)機(jī)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(shí)，機(jī)器人本體的重量進(jìn)一步降低，可以實(shí)現(xiàn)凈重和承載力的特殊比率，這些都是先進(jìn)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來的結(jié)果。

（3）安全

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

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

協(xié)作機(jī)器人碰撞檢測(cè)的功能是為了解決人和機(jī)器人共融的問題。其實(shí)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(shí)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(shí)的難題，這個(gè)時(shí)間進(jìn)一步壓縮，可能只占機(jī)器人生命周期使用時(shí)間的10%甚至更少。更多時(shí)間，機(jī)器人是留在生產(chǎn)線，完成單調(diào)周而復(fù)始的工作，這個(gè)期間工業(yè)效率將回到傳統(tǒng)機(jī)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(jī)器人必須要能達(dá)到和傳統(tǒng)機(jī)器人類似的可靠性要求。

協(xié)作機(jī)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(jì)初開始出現(xiàn)的生產(chǎn)中的難題。協(xié)作機(jī)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(chǎng)合。過去需要長(zhǎng)達(dá)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(shí)內(nèi)完成?？v然協(xié)作機(jī)器人略有缺陷，如負(fù)載不高，速度不快，但是縱觀生產(chǎn)使用的場(chǎng)合，絕大部分的應(yīng)用場(chǎng)合均可以得到滿足。協(xié)作機(jī)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(jī)器人行業(yè)也蓬勃發(fā)展開來。

未來智能實(shí)驗(yàn)室是人工智能學(xué)家與科學(xué)院相關(guān)機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立的人工智能，互聯(lián)網(wǎng)和腦科學(xué)交叉研究機(jī)構(gòu)。

未來智能實(shí)驗(yàn)室的主要工作包括：建立AI智能系統(tǒng)智商評(píng)測(cè)體系，開展世界人工智能智商評(píng)測(cè)；開展互聯(lián)網(wǎng)（城市）云腦研究計(jì)劃，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)（城市）云腦技術(shù)和企業(yè)圖譜，為提升企業(yè)，行業(yè)與城市的智能水平服務(wù)。