1.4 協作機器人的優點和局限性

1.4.1 協作機器人的優點

協作機器人技術的優點主要體現在易用性、靈活性和安全性三個方面。

1.易用性

易用性是機器人設計的重中之重，涉及的具體技術包含各類圖形化編程、工藝包、示教方式、指令豐富程度、二次開發平臺、系統擴展性（硬接口、軟協議），以及離線編程軟件等。雖然協作機器人的拖動示教功能特性免去了傳統工業機器人復雜的編程和配置，使其操作簡單、易上手，但目前市場上的一些協作機器人產品，它們提供的圖形界面只能完成一些簡單的揀選、取放任務，仍存在易用性不強的問題。為了提高協作機器人的易用性，行業內企業對機器人編程語言進行了開發優化，使機器人能夠適應復雜的工作環境。例如，丹麥UR機器人采用一種專利技術的圖形化編程方式，把復雜的指令簡化為組合按鈕的形式，配合拖動示教完成機器人的編程；日本Mujin公司提供的一種簡單快速的3D環境重建方法及針對復雜環境進行自動軌跡規劃的技術，可以大幅降低機器人部署的時間和工作量；德國Franka公司推出的圖形化編程系統，通過組合不同的基本元素，可以使用戶在不具備任何專業知識的情況下編寫復雜的機器人程序。隨著協作機器人應用領域的不斷擴展，提升協作機器人的易用性，提供更簡單直觀、功能更強大的編程方法仍將是協作機器人企業長期努力的方向。

2.靈活性

從軟件層面來看，協作機器人系統大多具有學習和演化的能力，采用增強型學習方法和遺傳規劃可以實現多機協同作業。然而，目前大多機器人的學習和演化還停留在較低的行為層次，其學習和演化的任務和環境也非常簡單，當面對更為復雜的任務和環境時，存在時滯評價和組合爆炸問題。同時，對于多智能體的分布式學習與演化，也與傳統的集中式學習與演化方法有著明顯區別，還有待尋找更為有效的行為優化方法。

從硬件層面來看，協作機器人技術產品多為6自由度及以上的多關節機器人，自重及負載都較小，產品安裝方式及其移動部署相對靈活，適用于柔性、靈活度和精準度要求較高的行業，如電子、醫藥、精密儀器等，可以滿足更多工業生產及服務行業的操作需要。

3.安全性

安全問題是實現人機協作的前提條件，只有保障了操作人員的人身安全，才能更好地協同工作，提高企業效率。為了有效規范協作機器人的設計及安全，國際標準化組織于2016年3月發布了ISO/TS 15066 Robots and robotic devices—Collaborative robots，該標準作為ISO 10218 Robots and robotic devices——Safety requirements for industrial robots的補充，進一步明確了協作機器人的設計細節及系統安全技術規范。

各協作機器人企業都通過開發硬件或軟件，抑或兩者兼備的方式確保其能實現人機協同作業，但不同企業的實現途徑不一。例如，UR公司利用傳感器專利技術幫助其實現功率和力的限制功能，能夠監控電動機的電流和編碼器的位置，通過電流和位置數據，推算出力，實現協作機器人的功率和力的限制功能。ABB公司的YuMi機器人在硬件上通過被軟性材料包裹的塑料外殼，能夠很好地吸收外部的沖擊；在軟件上有運動速度和功率限制的設計，當它與人或其他物體接觸時，內置的傳感器就能及時檢測到。Rethink公司的協作機器人產品通過搭載串聯彈性驅動器（SEA），將力矩控制轉化為彈簧形變量控制，可以實現精確的力矩控制。FAUNC公司在產品底座安裝力傳感器檢測外力。博世公司為協作機器人配備機器人保護皮衣APAS（觸覺檢測裝置），它可以檢測受力情況并向控制器提供即時反饋，確保人的安全。

協作機器人具有高安全性，適合要求人員介入的有限空間作業的場景，如電子產品裝配，由機器人放置零件，操作人員負責組裝。因為協作機器人體積小，質量輕，安裝和調試簡單，同樣一臺機器可以相對方便的移動位置，重新進行示教，極大地提高了生產線的柔性。

對于生產線變更時間需要大幅縮短、工作空間狹小等問題，傳統的“非自動即動手”的生產裝配模式已難以應對，大量工作需要人和機器人協作完成。因此，為搭建靈活高效的制造系統，人機協作成為有效的解決方案。人機協作不僅是解決現實問題的需要，也是企業長遠發展的選擇。

機器人控制是一個成熟的領域，一個已經在工業上高度商業化的領域。然而，調節人與機器人之間的互動和協作所需的方法還沒有完全建立起來。這些問題是實體人機交互（pHRI）和協作機器人（Cobot）領域的研究主題。De Luca和Flacco機器人的創造者提出并規定了機器人必須遵循的三個一致行為的層嵌套，以實現安全的pHRI：

1）安全是協作機器人的第一個也是最重要的特征。盡管最近機器人安全標準化工作取得了進展，但我們仍處于起步階段。安全性通常是通過避免碰撞來解決的，這種特性要求感知層和控制層都具有較高的反應性和魯棒性。

2）共存是機器人與人共享工作空間的能力。這包括涉及被動人體的應用程序（如機器人干預患者身體的醫療操作）以及機器人和人在同一任務中沒有接觸或沒有協調的情況。

3）協作是指通過人類的直接交互和協調以執行機器人任務的能力，有兩種模式：接觸協作（人和機器人之間有明確和有意的接觸）和非接觸協作（動作由信息交換指導，如身體手勢、聲音命令或其他形式）。特別是對于第二種模式，必須建立由操作人員進行直觀控制的手段，而這可能是非專家用戶。機器人應該積極主動地實現所要求的任務，并能夠推斷出用戶的意圖，以便從人的角度更自然地互動。