1.3.3 協(xié)作機器人的關鍵技術

1.核心零部件

協(xié)作機器人本體部分一般由關節(jié)模組構成，每個關節(jié)模組一般包括減速器、電動機、編碼器、抱閘、驅(qū)動器和控制器等；常見的協(xié)作機器人關節(jié)模組如圖1-20所示。

在協(xié)作機器人關節(jié)中，諧波減速器是最常用的減速器，也是最具有技術含量的關鍵核心零部件；常用的電動機是無框力矩電動機；編碼器分為絕對式編碼器和相對式編碼器，絕對式編碼器常用于采集關節(jié)角度，放置在關節(jié)輸出端，相對式編碼器常用于采集關節(jié)速度，放置在電動機末端；抱閘是關節(jié)模組的“剎車”部件，可實現(xiàn)緊急制動；協(xié)作機器人的關節(jié)模組一般采用驅(qū)控一體的驅(qū)動器來實現(xiàn)驅(qū)動和控制功能，結構緊湊。此外，還有一些其他機械零部件，如螺釘、軸承、機械加工件等。

諧波減速器作為協(xié)作機器人關節(jié)模組的核心零部件，具有承載能力高、傳動比大、體積小、傳動效率高、無沖擊和運動精度高等諸多優(yōu)勢。諧波減速器曾長期被國外壟斷，近些年國內(nèi)才有所突破。國外諧波減速器制造商比較出名的有日本哈默納科（Harmonic Drive）、日本電產(chǎn)新寶（Nidec-Shimpo）、美國科爾摩根（KOLLMORGEN）等；國內(nèi)有蘇州綠的諧波、深圳大族精密傳動和浙江來福諧波傳動等。下面對國內(nèi)這幾家公司及產(chǎn)品進行簡要介紹：

（1）蘇州綠的諧波 綠的諧波是一家專業(yè)從事精密傳動裝置的企業(yè)，其諧波減速器有LCD系列、LCS系列、LCSG系列、LHD系列、LHS系列和LHSG系列；在國內(nèi)率先實現(xiàn)了諧波減速器的工業(yè)化生產(chǎn)和規(guī)?；瘧?，打破了國際品牌在國內(nèi)機器人諧波減速器領域的壟斷。

（2）深圳大族精密傳動 深圳大族精密傳動和1.2節(jié)中提到的大族機器人都是大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司的子公司。

大族精密傳動專注于精密減速器及裝置、機器人系統(tǒng)、機電一體化設備的研發(fā)生產(chǎn)。其產(chǎn)品應用于機器人、航空航天、通信設備、半導加工設備、醫(yī)療設備、檢測分析設備等領域。

（3）浙江來福諧波傳動 浙江來福諧波傳動是一家從事高精密諧波減速器和行星減速器研發(fā)的企業(yè)。來福諧波減速器具有低溫升、低起動轉(zhuǎn)矩、高可靠性、高精度、高扭矩、高壽命、大速比、小體積等特性。其產(chǎn)品批量應用于工業(yè)機器人、服務機器人、醫(yī)療器械、高精密自動化設備等領域。

浙江來福諧波傳動的諧波減速器產(chǎn)品主要有LSS系列、LSD系列、LFS/LFS一體機系列、LHT系列和LHS系列。

2.力感知關節(jié)

相比于傳統(tǒng)機器人，協(xié)作機器人在安全方面有著更高的防護等級。一般基于電流環(huán)對機器人進行安全防護設置，但力感知的柔性關節(jié)更具有優(yōu)越性，可以直接測量力矩，避免了電流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，響應更快。

近年來，一些機器人廠家推出了帶有關節(jié)力矩傳感器的協(xié)作機器人，主要列舉如下：

1）KUKA iiwa：每個軸都配有專用的關節(jié)力矩傳感器，它對周圍環(huán)境非常敏感。

2）Kinova Gen2 robots：內(nèi)置全關節(jié)力矩傳感器，使其擁有良好的安全性及人機交互性。

3）Franka Emika機器人Panda：Franka Emika的力控技術繼承自DLR，F(xiàn)ranka Emika力矩傳感器具有13位分辨率，可實現(xiàn)精準的力控制。

4）Flexiv Rizon 4：Rizon是力控機器人領域內(nèi)擁有先進技術的協(xié)作機器人，能使機器人安全地與人和環(huán)境交互、操作、高效生產(chǎn)。

5）Agile Robots：綜合利用力控機器人技術、機器視覺、運動規(guī)劃、自適應抓取、人機協(xié)作、模仿學習與增強學習等核心技術。

3.高精度定位

機器人精度的兩個指標是重復定位精度和絕對定位精度。

絕對定位精度是指機器人停止時實際到達的位置和期望到達的位置之間的誤差，如期望一個軸運動100mm，但實際上運動了100.01mm，那么0.01mm就是絕對定位精度。重復定位精度是指機器人到達同一個位置所產(chǎn)生的誤差，如期望一個軸運動100mm，結果第一次實際上運動了100.01mm；重復一次同樣的動作，實際上運動了99.99mm，這之間的誤差0.02mm就是重復定位精度。

通常情況下，重復定位精度比絕對定位精度要高得多。重復定位精度取決于機器人關節(jié)減速器及傳動裝置的精度；絕對精度取決于機器人算法。

目前，絕大多數(shù)協(xié)作機器人的重復定位精度都能達到0.02mm。但要繼續(xù)提升協(xié)作機器人的重復定位精度，需要從機器人的本體結構出發(fā)，提升關節(jié)模組中電動機、減速器和編碼器等的精度。

4.行為決策與控制

協(xié)作機器人發(fā)展的趨勢是人工智能，深度學習是智能機器人的前沿技術，也是機器學習領域的新課題。深度學習技術被廣泛運用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍事、航空等領域，與機器人的有機結合能設計出具有高工作效率、高實時性、高精確度的智能機器人。

將深度學習、強化學習等機器學習方法與智能機器人相結合，不僅使協(xié)作機器人在自然信號處理方面的潛力得到了提高，而且使機器人擁有了自主學習的能力，每個機器人都在工作中學習，數(shù)量龐大的機器人并行工作，然后分享它們所學到的信息，相互促進學習，如此將帶來極高的學習效率，極快地提升機器人的工作準確度，并且還省略了煩瑣的編程；從而提高了協(xié)作機器人在工作中的行為決策能力，提升了機器人的智能控制水平。

5.友好的人機交互

人機交互（Human Robot Interaction, HRI）是人和協(xié)作機器人系統(tǒng)之間進行互動和交流的橋梁。并且這早已不再僅僅局限于工業(yè)中的傳統(tǒng)機器，如今還涉及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中的計算機、數(shù)字系統(tǒng)或設備。越來越多的設備連接起來并開始自動執(zhí)行任務。

人機交互是協(xié)作機器人的關鍵構成部分，為了生成有效的機器人行為，除了完成機器人人機交互的基本功能，還需要完成以下三部分工作：

●向機器人提供正確的知識：成本函數(shù)、世界模型。

●設計正確的邏輯策略，使機器人能自主地將知識轉(zhuǎn)化為行動。

●設計學習過程以更新知識和邏輯，使機器人適應未曾預見的環(huán)境。

隨著智能機器人越來越多地出現(xiàn)在人們的生活中，人機交互將會更廣泛地發(fā)生。同時，有許多問題亟待研究。對這些問題的探索需要多學科的融合和交叉，如工程學科與社會學科的融合、工程學科與腦科學的融合，以及在工程學科內(nèi)部機械設計與算法設計的融合，以此創(chuàng)造更好的智能機器人服務大眾。