协作机器人定义

在定义协作机器人之前，先看一个名词。协作区域Collaborative workspace：指机器人和人类可以同时工作的区域；我们所说的协作机器人：指被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人。

2017年9月，IFR（国际机器人联合会）发布了2017-2020年市场预测。其中在其主体报告中，着重强调了未来机器人的趋势：

Robots which are easier to install, program and operate will unlock entry barriers to the large, untapped market of small and medium enterprises (SMEs).

• Trend towards having production closer to the end consumer driving the importance of standardization & consistency across global brands.

• Collaborative robots are shifting the traditional limits of “what can be automated?”

• Collaborative robots increase manufacturing flexibility as ‘low volume high mix’ becomes the new normal.

• Collaboration is also about productivity with increased human/robot interaction

把IFR的预测总结如下：简单易用、灵活、安全协作型的机器人，会更适应中小企业和全球企业的不同生产需求，成为工业机器人发展的***主要趋势。

因此，本质上讲协作机器人依旧是工业机器人，并不是某种全新的产品，仅仅是定位不同。简单来说：传统的工业机器人更注重精度和速度，而协作机器人则注重人机安全共存和简便的操作性。

2.2 为什么需要协作机器人

I. 传统机器人部署成本高

目前的工业机器人主要负责工厂中重复的工作，这就要求非常高的重复定位精度，以及依赖固定的外界环境。为了保证这一点，除了机器人本身的设计要求之外，还需要夹具将待加工的产品放在固定的位置，以便机器人每次都可以到同一个地方准确的拿取或者执行某项操作。这就需要耗费大量的资源，占用大片宝贵的车间以及长达数月的实施时间。同时，传统机器人的使用难度较高，只有经过培训的专业人士才能熟练使用机器人完成配置、编程以及维护，普通用户很少具备这样的能力。

业内统计数据显示：整个机器人部署费用大概是机器人售价的3~4倍。近几年随着国内集成商增加，竞争越来越激烈，整体价格有所下滑，但也基本在2~3倍，协作机器人与传统机器人部署环境如下图：

简而言之，单独的机器人无法直接用于工厂的生产线上，还需要很多外围设备的支持。虽然机器人本身是一种高柔性、高灵活性的设备，但整个生产线不是，一旦涉及生产线变动，费用很高。

II. 中小企业及新兴市场需求

一款新车从发布到退出市场，一般会经历3~6年时间。这期间，即使有改款，也只是对外观、内饰的微调，这些变动一般不会影响到机器人的工作（车身焊接、喷漆、主要零部件搬运），因此在机器人的整个生命周期基本上不需要对已经完成的生产线进行改动或者对机器人进行重新部署，只需要正常的维护即可。这就发挥了传统机器人的优点，避开了它的缺点。***台工业机器人也正是部署在汽车行业，直至今日，汽车行业仍然占据重要市场份额。

而中、小企业则不同，它们的产品一般以小批量，定制化，短周期为特征，没有太多的资金对生产线进行大规模改造，并且对产品的ROI（Return on Investment）更为敏感。

这要求机器人具有较低的综合成本，快速部署、重新部署的能力，简单上手的使用方法，而这些，传统机器人很难满足。

此外，某些机器人应用的新兴行业中，即使是大企业也面临与中小企业同样的问题，3C产业是这个方面的典型代表。

3C市场中如手机、平板、可穿戴设备等产品的更新换代速度非常快，生命周期只有1~2年，甚至只有几个月。如果采用传统机器人方案，投入大量资源，耗费数月建设的生产线可能连成本的零头还没收回，所生产的产品就该退市了。而如果对生产线再进行改造，又要投入巨大的资源，更重要的是耽误产品上市计划。

III. 协作市场需求

传统机器人的工作环境并不需要人的参与，机器人可以独立完成。因此与人在一起时的安全性不是机器人发展的重点，一般要求使用围栏把机器人和人员进行隔离。

随着人力成本的上升，很多其他以前没有或很少使用机器人的行业开始寻求机器人自动化解决方案，例如3C、医药、食品、物流等行业。这些新兴行业中的特点是产品种类多、体积普遍不大、对操作人员的灵活度性要求高。传统的机器人很难在成本可控的情况下给出性能满意的解决方案，自然就想到人机结合。

由人类负责对柔性，触觉，灵活性要求比较高的工序，机器人则利用其快速、准确的特点来负责重复性的工作。但是如果二者要合作，中间还要隔一个栅栏就太不方便了。这个时候就需要保证机器人与人类可以安全的在同一个区域工作，即要求机器人具有安全协作的特性。

协作机器人的优点概括起来主要有三个：安全，低成本、易于上手。大部分场合可以做到即插即用，非常好的符合中小企业的需求。但是协作机器人并不是***的，它只是现有机器人产品线中一个新兴的细分品类，具有很多传统机器人无法比拟的优势，但是也有不少缺点。比如说，为了降低碰撞造成的损失，整个机器人的速度和重量必须被限制在一定范围内，所以协作机器人的速度普遍都很慢，负载也比较低，较小的自重导致刚性比传统机器人差很多，重复定位精度一般比传统机器人要低一个数量级。

一句话概括协作机器人应用：Human class, human-scale task in a human environment.

2.3 历史——从萌芽到群雄逐鹿

概念期

Unimation是工业机器人的先驱。创始人恩格尔伯格1925年生于纽约，先后获得哥伦比亚大学物理学士和电子工程硕士学位。1950年，恩格尔伯格读到了阿西莫夫的小说集《I, Robot》，爱不释手，产生了制造机器人的念头。

1956年的一场酒会，他偶遇发明家德沃尔 (George C. Devol) 。德沃尔提到，他刚刚申请了一个***，叫做 “可编程控制设备”。恩格尔伯格脱口而出， “这不是阿西莫夫笔下的机器人吗!” 两人一拍即合，决定合作创立一家生产机器人的公司——Unimation。

1959年，恩格尔伯格和德沃尔发明了世界上***台工业机器人Unimate，它重达两吨，通过磁鼓上的一个程序来控制，采用液压执行机构驱动，***率达1/10000 英寸。这台机器人具有类似人手的灵活度，但是机器人的成本也非常高，当时Unimate 工业机器人成本高达65000 美元，而unimation 公司估值仅为18000 美元。鉴于此，恩格尔伯格将机器人的用户瞄准了大公司。

1961年，通用汽车在新泽西州工厂安装使用了Unimation机器人。这个是历史可查的***台机器人用于工业。这台机器人和人相比，在使用中有明显的优势，比如机器人可以在例如焊接、搬运等重复性的场合，不知疲倦，效率很高；同时在有毒或者其他危险的场合，也比人更有优势。

通用汽车开始订购更多的机器人，安装在各地的工厂，承担的工作扩展到焊接、油漆和装配。这得通用汽车率先实现自动化生产，巩固和扩大了通用汽车在行业***地位。于此同时福特汽车、克莱斯勒等其他汽车公司纷纷跟进，将机器人用于各自的汽车生产流水线。

Unimation后授权其技术给川崎重工和GKN，在日本和英国分别制造Unimate机器人。后续日本汽车工业开始引进机器人，在生产线开始部署使用机器人来代替人工操作，并将其使用价值充分发挥。后来，日本诞生了许多***的机器人公司，从***开始引进机器人技术的川崎公司，到后来合资成立的发那科，安川等，日本机器人公司逐渐占据了重要位置。时至今日，这家公司的产品，仍然活跃在机器人界，只不过Unimate这个产品的名字不常见，取而代之的是一个叫史陶比尔Staubil。

工业机器人由美国人发明，但是并没有在美国得到快速发展。主要原因有三：

***，以Unimate 为代表的***代工业机器人在技术方面存在缺陷。

第二，工业机器人的成本高居不下，且远高于当时的人工成本，制造业企业进行工厂自动化升级需求并不强烈。

第三，美国当时劳动力充足，失业率维持高位，政府对工业机器人支持力度不大。

萌芽期

然而，40多年过去了，绝大多数情况下机器人与工人依旧无法比肩工作。为了避免机器人在工作过程中误伤工人，在实际应用过程中机器人通常被固定在工位上，并且被一定范围的防护栏隔离开，一直未能实现人机协作的方式。

中小企业（SMEs）一直是协作机器人重要的客户群，而协作机器人的兴起也与SMEs密不可分。

协作机器人的研究起源于欧盟在2005年资助的一个由ABB、KUKA、Reis、Comau、Güdel等工业机器人巨头参与的SME Project。其主要的论点是，如果制造一种中小企业可以负担得起的、小而灵巧的机器就可以避免劳动力外包的情况，实现将工作机会留在国内的愿望。

不过，当时的协作机器人都是由传统机器人改造而成，对工业机器人市场并没有产生太大的影响，直到一个从产品设计伊始就以协作机器人的要求进行开发的机器人UR5的诞生。

Esben Stergaard和Kristian Kassow在南丹麦大学一起做研究时创办了Universal Robot，现在的CEO Esben Stergaard当时是南丹麦大学的助理教授，三个人发现了中小企业对机器人的新需求（也与当时丹麦政府主导的一项机器人计划有关），并在2009年推出了***款协作机器人UR5。

2008年，Rodney Brooks创办了Rethink，其***初的目的也是为了帮助美国本土的SMEs提高生产效率，降低成本，减少离岸外包。先后推出的双臂Baxter，之后推出了新款单臂机器人Sawyer。

群雄逐鹿

在UR和Rethink之后，成长出一大批新创立的协作机器人公司，市场上的协作产品也越来越多，协作机器人的概念开始慢慢被大家所认识和接受。

全球工业机器人四大巨头无一例外推出了自己的协作机器人产品。ABB公司推出的协作机器人YuMi并于2015年ABB收购Gemtech；发那科公司推出了型号为CR-35iA的大型协作机器人；库卡公司推出了名为LBR iiwa的协作机器人，安川公司则研发了名Dexter Bot的协作机器人等等。

中国的***企业沈阳新松机器人公司也不甘落后，在2015年11月的工博会上首发了国内***的七轴柔性协作机器人；珞石、傲博等等也仿佛雨后春笋一般，协作机器人进入群雄逐鹿的时代。

2.4 协作机器人与传统机器人的区别

本质上讲，协作机器人与传统机器人之间并没有非常大的不同，只是基于不同市场定位的工业机器人产品。

或者说二者替代的对象不一样。传统机器人生产线，机器人做为整个生产线中的组成部分，很难单独拿出来，如果某个环节的机器人坏了，在没有设计备份的情况下，整个产线可能要停工。而协作机器人的独立性很强，它代替的是人，二者之间可以互换，一个协作机器人坏了，挪开找个人代替就好了，整个生产流程的灵活性非常高。

2.5 协作机器人的优势

a). 安全性

机器人和人交互，必须要保证的是人类安全，碰撞检测是协作机器人务必要实现的功能，是人机协作的前提。国际标准化组织在2016年发布了ISO/TS 15066标准，对协作机器人安全性分为安全级监测、手动示教、功率和力限制、速度和分离监控四个方面。

传统工业机器人的工作场景往往是在保护围栏或其它保护措施后，而协作机器人能够直接和操作人员在同一条生产线上工作，却不需要使用安全围栏与人隔离，为全手动和全自动的生产模式之间搭建了桥梁。

传统机器人也有碰撞检测功能，但是传统机器人碰撞检测的目的一般是为了减少碰撞力对机器人本体的影响，避免机器人本体或者外围设损坏。

协作机器人碰撞检测的功能是为了解决人和机器人共融的问题。其实现的方式，有借助力感知皮肤，关节力矩传感器，电流估算力反馈模型等方式。在实现的方式上，务必需要体现碰撞力的设置，以满足不同环境下力的灵活设置。

b). 易于上手

易用性***为直接是拖动示教。还有很多企业通过对机器人编程语言优化，推出图形化编程界面实现。

拖动示教的原理是借助机器人的动力学模型，控制器实时的算出机器人被拖动时所需要的力矩，然后把提供该力矩给电机使得机器人能够很好地辅助操作人员进行拖动。其计算公式包括惯性力项、科里奥利力和离心力项、重力项以及摩擦力项。

而当中根据选择的摩擦力模型可以分解为粘性摩擦力项、库仑摩擦力项以及补偿。摩擦力的计算是相对复杂的数学模型。基于目前技术的实现方式，有无传感补偿技术；加外置力传感器反馈优化模型计算；弹性装置伸缩模型计算等。这一步每家机器人公司均有独特优势，可以达到无重力拖动示教功能。

c). 低成本

目前协作机器人本体均价约13.05万元，预计2022年可降至8.8万元，相比一般工业机器人价格优势明显。

d). 灵活

协作机器人本体重量轻，能够适应不同场景的搬动和简单安装，产品安装及移动部署相对灵活。

2.6 协作机器人的劣势

协作机器人作为工业机器人产业链中一个非常重要的细分类别，有它独特的优势，但因产品定位的原因，缺点也很明显。

a). 速度慢

为了控制力和碰撞能力，协作机器人的运行速度比较慢，通常只有传统机器人的三分之一到二分之一。

b). 负载小

低自重，低能量的要求，导致协作机器人体型都很小，负载一般在10kg以下。

c). 精度与工作范围

为了减少机器人运动时的动能，协作机器人一般重量比较轻，结构相对简单，这就造成整个机器人的刚性不足，工作范围与人的手臂相当，但定位精度比传统机器人差。

更多详情：优傲机器人