1.4 協(xié)作機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)和局限性

1.4.1 協(xié)作機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)

協(xié)作機(jī)器人技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在易用性、靈活性和安全性三個(gè)方面。

1.易用性

易用性是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重中之重，涉及的具體技術(shù)包含各類圖形化編程、工藝包、示教方式、指令豐富程度、二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)、系統(tǒng)擴(kuò)展性（硬接口、軟協(xié)議），以及離線編程軟件等。雖然協(xié)作機(jī)器人的拖動(dòng)示教功能特性免去了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人復(fù)雜的編程和配置，使其操作簡(jiǎn)單、易上手，但目前市場(chǎng)上的一些協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品，它們提供的圖形界面只能完成一些簡(jiǎn)單的揀選、取放任務(wù)，仍存在易用性不強(qiáng)的問(wèn)題。為了提高協(xié)作機(jī)器人的易用性，行業(yè)內(nèi)企業(yè)對(duì)機(jī)器人編程語(yǔ)言進(jìn)行了開(kāi)發(fā)優(yōu)化，使機(jī)器人能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。例如，丹麥UR機(jī)器人采用一種專利技術(shù)的圖形化編程方式，把復(fù)雜的指令簡(jiǎn)化為組合按鈕的形式，配合拖動(dòng)示教完成機(jī)器人的編程；日本Mujin公司提供的一種簡(jiǎn)單快速的3D環(huán)境重建方法及針對(duì)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)軌跡規(guī)劃的技術(shù)，可以大幅降低機(jī)器人部署的時(shí)間和工作量；德國(guó)Franka公司推出的圖形化編程系統(tǒng)，通過(guò)組合不同的基本元素，可以使用戶在不具備任何專業(yè)知識(shí)的情況下編寫復(fù)雜的機(jī)器人程序。隨著協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，提升協(xié)作機(jī)器人的易用性，提供更簡(jiǎn)單直觀、功能更強(qiáng)大的編程方法仍將是協(xié)作機(jī)器人企業(yè)長(zhǎng)期努力的方向。

2.靈活性

從軟件層面來(lái)看，協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)大多具有學(xué)習(xí)和演化的能力，采用增強(qiáng)型學(xué)習(xí)方法和遺傳規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)。然而，目前大多機(jī)器人的學(xué)習(xí)和演化還停留在較低的行為層次，其學(xué)習(xí)和演化的任務(wù)和環(huán)境也非常簡(jiǎn)單，當(dāng)面對(duì)更為復(fù)雜的任務(wù)和環(huán)境時(shí)，存在時(shí)滯評(píng)價(jià)和組合爆炸問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)于多智能體的分布式學(xué)習(xí)與演化，也與傳統(tǒng)的集中式學(xué)習(xí)與演化方法有著明顯區(qū)別，還有待尋找更為有效的行為優(yōu)化方法。

從硬件層面來(lái)看，協(xié)作機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)品多為6自由度及以上的多關(guān)節(jié)機(jī)器人，自重及負(fù)載都較小，產(chǎn)品安裝方式及其移動(dòng)部署相對(duì)靈活，適用于柔性、靈活度和精準(zhǔn)度要求較高的行業(yè)，如電子、醫(yī)藥、精密儀器等，可以滿足更多工業(yè)生產(chǎn)及服務(wù)行業(yè)的操作需要。

3.安全性

安全問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的前提條件，只有保障了操作人員的人身安全，才能更好地協(xié)同工作，提高企業(yè)效率。為了有效規(guī)范協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)及安全，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于2016年3月發(fā)布了ISO/TS 15066 Robots and robotic devices—Collaborative robots，該標(biāo)準(zhǔn)作為ISO 10218 Robots and robotic devices——Safety requirements for industrial robots的補(bǔ)充，進(jìn)一步明確了協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范。

各協(xié)作機(jī)器人企業(yè)都通過(guò)開(kāi)發(fā)硬件或軟件，抑或兩者兼?zhèn)涞姆绞酱_保其能實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同作業(yè)，但不同企業(yè)的實(shí)現(xiàn)途徑不一。例如，UR公司利用傳感器專利技術(shù)幫助其實(shí)現(xiàn)功率和力的限制功能，能夠監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的電流和編碼器的位置，通過(guò)電流和位置數(shù)據(jù)，推算出力，實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人的功率和力的限制功能。ABB公司的YuMi機(jī)器人在硬件上通過(guò)被軟性材料包裹的塑料外殼，能夠很好地吸收外部的沖擊；在軟件上有運(yùn)動(dòng)速度和功率限制的設(shè)計(jì)，當(dāng)它與人或其他物體接觸時(shí)，內(nèi)置的傳感器就能及時(shí)檢測(cè)到。Rethink公司的協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品通過(guò)搭載串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器（SEA），將力矩控制轉(zhuǎn)化為彈簧形變量控制，可以實(shí)現(xiàn)精確的力矩控制。FAUNC公司在產(chǎn)品底座安裝力傳感器檢測(cè)外力。博世公司為協(xié)作機(jī)器人配備機(jī)器人保護(hù)皮衣APAS（觸覺(jué)檢測(cè)裝置），它可以檢測(cè)受力情況并向控制器提供即時(shí)反饋，確保人的安全。

協(xié)作機(jī)器人具有高安全性，適合要求人員介入的有限空間作業(yè)的場(chǎng)景，如電子產(chǎn)品裝配，由機(jī)器人放置零件，操作人員負(fù)責(zé)組裝。因?yàn)閰f(xié)作機(jī)器人體積小，質(zhì)量輕，安裝和調(diào)試簡(jiǎn)單，同樣一臺(tái)機(jī)器可以相對(duì)方便的移動(dòng)位置，重新進(jìn)行示教，極大地提高了生產(chǎn)線的柔性。

對(duì)于生產(chǎn)線變更時(shí)間需要大幅縮短、工作空間狹小等問(wèn)題，傳統(tǒng)的“非自動(dòng)即動(dòng)手”的生產(chǎn)裝配模式已難以應(yīng)對(duì)，大量工作需要人和機(jī)器人協(xié)作完成。因此，為搭建靈活高效的制造系統(tǒng)，人機(jī)協(xié)作成為有效的解決方案。人機(jī)協(xié)作不僅是解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的需要，也是企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的選擇。

機(jī)器人控制是一個(gè)成熟的領(lǐng)域，一個(gè)已經(jīng)在工業(yè)上高度商業(yè)化的領(lǐng)域。然而，調(diào)節(jié)人與機(jī)器人之間的互動(dòng)和協(xié)作所需的方法還沒(méi)有完全建立起來(lái)。這些問(wèn)題是實(shí)體人機(jī)交互（pHRI）和協(xié)作機(jī)器人（Cobot）領(lǐng)域的研究主題。De Luca和Flacco機(jī)器人的創(chuàng)造者提出并規(guī)定了機(jī)器人必須遵循的三個(gè)一致行為的層嵌套，以實(shí)現(xiàn)安全的pHRI：

1）安全是協(xié)作機(jī)器人的第一個(gè)也是最重要的特征。盡管最近機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)化工作取得了進(jìn)展，但我們?nèi)蕴幱谄鸩诫A段。安全性通常是通過(guò)避免碰撞來(lái)解決的，這種特性要求感知層和控制層都具有較高的反應(yīng)性和魯棒性。

2）共存是機(jī)器人與人共享工作空間的能力。這包括涉及被動(dòng)人體的應(yīng)用程序（如機(jī)器人干預(yù)患者身體的醫(yī)療操作）以及機(jī)器人和人在同一任務(wù)中沒(méi)有接觸或沒(méi)有協(xié)調(diào)的情況。

3）協(xié)作是指通過(guò)人類的直接交互和協(xié)調(diào)以執(zhí)行機(jī)器人任務(wù)的能力，有兩種模式：接觸協(xié)作（人和機(jī)器人之間有明確和有意的接觸）和非接觸協(xié)作（動(dòng)作由信息交換指導(dǎo)，如身體手勢(shì)、聲音命令或其他形式）。特別是對(duì)于第二種模式，必須建立由操作人員進(jìn)行直觀控制的手段，而這可能是非專家用戶。機(jī)器人應(yīng)該積極主動(dòng)地實(shí)現(xiàn)所要求的任務(wù)，并能夠推斷出用戶的意圖，以便從人的角度更自然地互動(dòng)。