在机器人与人工智能发展利弊的众说纷纭中，其实机器人已经为人类带来了大量的便利。而协作机器人作为一种新型机器人，近几年在3C、电子装配等行业和领域都发挥了重要作用。

第四届中国机器人峰会邀请来自研究院、高校、企业的机器人专家汇聚一堂，为大家呈现出全面、高端、专业的分析与讨论。其中，北京航空航天大学教授魏洪兴，在5月17日的“机器人核心零部件”论坛便为大家演讲了主题为《协作型机器人一体化驱动与控制单元技术》的报告，从机器人的设计角度深入浅出地讲解了协作机器人。峰会根据录音整理出魏教授的演讲内容，与大家共享，一起来了解一下协作机器人具备了哪些条件才能和人一起和谐工作吧！

魏洪兴，北京航空航天大学教授，长期以来一直从事先进机器人及其嵌入式控制技术的研究，获得国防科学技术二等奖、中国国际发明金奖，在核心期刊和重要国际学术会议上发表论文50余篇，其中EI收录20篇。

以下是演讲全部内容：

大家好！今天我的演讲主题是：协作型机器人一体化驱动与控制单元技术。

协作机器人是近两年比较热的一个方向，大家在市场上能看到各种协作机器人，包括丹麦优傲、Rethink，以及国内一些创业型公司。协作机器人是一种新型的工业机器人，它的定义就是能够和人在一起协调工作，由机器人完成一些重复性的、精确性的操作工作，人去做一些辅助机器人的操作工作。因此，协作机器人的核心特点就是和人在一起工作。因此它第一特征就是安全，其次还有易操作、体积小、功耗低等特点。因此协作机器人特别适合应用于3C以及电子装配等行业和领域。

去年国际标准化组织(ISO)发布了协作机器人的标准ISO/TS 15066，是工业机器人领域近十年来最重要的一个标准。ISO/TS 15066给出了协作机器人安全操作的要求和规范。

现在欧洲已经开始协作机器人安全认证，协作机器人产品进入欧洲市场需要通过这个认证，在美国也开始有这样的计划。去年，国标委和质检总局联合推出了中国的CR认证，但是国内协作机器人的认证还没有开始。

简单说一下协作机器人和传统机器人的一些区别，我们经常说工业4.0，实际上工业4.0核心就是小批量多品种定制化与柔性化生产，这特别符合协作机器人的特点。传统行业比如汽车行业，操作比较复杂，生产线一旦上线以后很少改变，因此它的灵活性比较差。所以实际上现在我们国内机器人应用的大多数是在传统领域，如和汽车相关生产线配套、喷涂、焊接等等。

但是我们去工厂会发现以装配为主的各种生产线非常多，基本都是人工在做，还都没有实现自动化。协作机器人非常适合这种人工装配，像3C行业，协作机器人实际上在某种情况下和传统的工业机器人不是同一类的市场，它是一个新的市场。它的特点就是能够快速学习、快速携带，而且能够快速地切换工业场景。

协作机器人为什么说它柔性？例如，在一个产线一个工位上，它可以实现快速切换，一般实行几种产品的并线生产，协作机器人可以很快地调整它的工艺。另外一个就是由于它的集成成本比较低，而它本身的价格也不高，因此最终的投资回报率有明显的优势，这是关于协作机器人的特点。所以协作机器人特别适合现在所提的工业4.0所要求的自动化生产线，包括柔性生产线发展需求。

实际上协作机器人，现在欧洲、美国都高度重视。大家可能关注过，今年年初，美国推出了一个新的机器人研究计划，投资2.5亿美金，这个研究计划是以卡内基梅隆大学牵头，包括全美的顶级高校研究机构、企业全部参与在内，目标是十年之内把工业的生产率提高30%，而且增加50万个以上的新岗位，确保30%的中小企业采用机器人技术。

大家知道，现在评价一个产业，它的竞争力还是要看人均效率与生产效率。据统计，美国和日本人均生产效率比我国国内效率要高3-5倍。因此实际上这个计划是非常长远的计划，核心出发点就是通过研究新型技术使美国工人能够和东南亚与亚洲尤其是中国、印度这种低工资工人来竞争，这方面主要靠新型技术。而且它的主要研究领域，排在第一的就是协作机器人，以协作机器人为核心去设计这种可快速重构的生产线，它的长期研究计划是15年之内一条可重构生产线能在一个小时之内可以更换产品、迭代产品，快速地更新程序，迭代工具。这是15年的计划，也是个长期的计划，这种可重构性的生产线都是以协作机器人为主的。

实际上协作机器人市场非常巨大，也有人说2016年是协作机器人的元年。协作机器人主要应用是在传统机器人涉及不到的一些领域，尤其是人机混合自动化、柔性生产线，3C、物流、医疗、农业甚至餐饮服务，都会逐步引入协作机器人产品。

关于市场预测，有很多机构像巴克莱等一些国外机构，做过一些预测，增长速度非常快。比如说到2020年，协作机器人的容量能达到15万台，这个预测可能有夸张因素。去年整个全球协作机器人市场只有一万台，有很大的一个增长空间，现在包括ABB、库卡、法兰克，都推出了各种协作机器人产品，像Yumi、iwa、优傲、Rethink等。

因为今天讲的是核心零部件，我从机器人的设计角度来讲解协作机器人。协作机器人它特别符合机械模块化设计，它把机器人整个结构按照模块思想来构建。我们最早做一些课题研究的时候，提出一个框架，实际上机器人它是一个典型的由机电包括计算机等综合的一个复杂系统。

所以我们当时提的一个结构，第一层是机器人的底层；第二层次实际上是它的驱动和传感，在这里面我们并没有把机器人分成驱动、减速器等，其实把它统一为驱动，还有就是一些它的传感器、编码器等；第三层是设备之间的通信；第四层，就是核心控制器；第五层，我觉得也是非常重要的，机器人操作系统，现在大家开发机器人产品几乎都在用这种操作系统，虽然ROS比较流行，但是它在真正的工业产品运用中还有很多不足和缺陷；第六层，就是类似构建的各种机器人的软件仓库；第七层应用层，现在机器人编程结构也发生一个很大的变化，现在很多工业机器人比如优傲，包括我们自己做的这个协作机器人，基本上主流的编程语言，都是基于脚本编程的，方便快速学习，而且能够变成更复杂的应用程序。

关于操作系统这一块，我们之前做过很多研究，对OS做过一些实时性的设计和改造，现在我们协作机器人产品里面，底层跑的是我们现在开发的内核和软件。

今天需要重点讲的就是一体化驱控，协作机器人最核心的一个关键点就是伺服电机，然后是减速器、编码器包括驱动控制。协作机器人一体化特点就是把伺服电机和减速器集成到一个模块里，这种好处就是体积变得特别紧凑，因此协作机器人这种小、轻的特点容易实现。当然它也带来挑战，因为集成以后，散热是很复杂的问题，包括整个系统设计，也存在很多挑战。

国内的企业进入协作机器人行业最难的一点，还不在于技术，最重要的是安全设计、安全控制。之前设计机器人的时候可能没有考虑过标准的事情，也没考虑过安全标准，那么我们从去年开始做协作机器人的安全认证，真正的理解到，做一个机器人产品，在设计的时候考虑安全标准是非常重要的。

一开始的时候，我们就要遵照机器人安全标准，包括去年推出的新标准，在这个标准指导下，开展我们的产品设计，而并不是当我们产品设计完以后，我们拿到认证机构去通过认证，在设计当中就没有什么安全设计思想，这是不可能通过的。

企业，包括我们一些研究人员，如果做协作型产品，首先要去研究它的安全标准，安全控制技术，协作机器人的安全是系统级的安全，比如说本体的安全，本体的安全包括我们所说的碰撞检测等一些本体的安全，当然本体安全不仅仅是外部的表现特征，还有内部的通讯主线，内部的一些驱动控制的安全，还有刹车本身的安全。

另外就是控制系统，协作机器人需要安全控制。这个安全控制指的是我们需要设计安全控制系统，包括接口控制安全以及一些功率特征等，所有的操作环节都要符合安全特点，当然还有其他的外部设备。所以说协作机器人安全指的是系统安全，从机械安全的角度然后到工业机器人的安全，到协作机器人的安全，这些都要去遵守。如果这些没有了解清楚的话，就动手去做协作机器人产品，基本上是很难成功的，其实这个教训我们已经深有体会。

关于安全控制，表面看起来它是运动过程中碰到障碍物来停止，但是这只是其中一个安全特征，还有许多其他安全特征，比如上面所说的碰撞检测，但是这里面有个分辨率的问题，这种碰撞检测，它的前提是不伤害人，因为人的不同部位在外力碰撞的时候评价标准是不一样的。还有一种安全方法就是加外部传感器，当人进入人机协作空间的时候，机器人就要降速或者停止，当然也有其他的一些方式，但这些都是它的一些安全因素，这里就不一一提了。

协作机器人的核心部件，其实与其他机器人一样，就是传感器、驱动控制，协作机器人特点就是驱控一体化，在驱动这块，就是电机、减整器和驱动器，包括一些连杆以及一些驱动机构，协作机器人的特点就是把它们混合。以前设计机器人的时候都是在市场选用伺服电机，然后选用合适的减速器，进行综合设计，最后再设计机器人本体，是这样一个思路。

实际上伺服舵机的出现简化了这种设计方法，伺服舵机核心是伺服电机加减速器，只不过它的减速器是行星的或者齿轮的，它的精度不高，但是它的特点就是接口是标准的。伺服舵机的一个缺点就是因为它本身的性能、精度，在设计的时候是有限的，它无法适合现在的工业应用场合。虽然现在国际上也推出了高级的伺服舵机，但它本质上还是齿轮减速的，这个伺服产品，它的性能精度还是达不到要求的。在国际上推出这种一体化模块的最早就是雄克，国内很多实验室都买过雄克七轴的模块机械臂，当时价格很贵，北航也买过，大概一个七轴的臂，40到50万人民币，非常贵。在美国其实比较流行推这种一体化的模块，主要用在教学科研产品。

这两年看展会，大家都会发现，现在伺服厂家包括谐波厂家都在往这个方向发展，就比如说HD，既做电机又做谐波减速器的企业，也在推这种产品，都可以明显感觉到这是整个机器人行业的一个趋势，都在向驱控一体化的方向发展，就是伺服电机减速机一体化驱动模块方向发展。

协作机器人产品除了控制安全以外，最核心的一个环节就是驱控一体化，把中空伺服电机、减速器、驱动控制，包括通讯集成在一个模块里。有了这种基于总线接口的一体化模块，设计一个产品就会变得很容易，当然前提是这个模块本身要有足够的精度和性能，基于这种模块可以快速地构建各种机器人产品，比如说典型的六轴、七轴机械臂，各种平台都可以去开发。

模块的设计其实也是一体化、模块化的，就是说在设计的时候会把伺服电机、谐波、刹车和最后的编码器、驱动器，都作为模块的方式来进行组合，实际上对于这个小功率模块，驱动器都是一样的，只不过是可以根据不同的型号做系列化的产品选项。

我们最近做了一些模块，目前这个模块其实还只限于教育科研领域，在工业领域应用我们还在进行测试。也做了一些关于模块开发的平台，一些软件，用模块可以快速开发一些手臂，四轴、三轴等各种产品或平台。但是我个人觉得，未来希望设计这样的一个模块，性价比能够高一点，可能一个轴在一万左右的价格，当然这是个综合成本，因为毕竟它用的也是伺服电机、谐波、驱控以及驱动控制。

给大家看几个我们的应用情况，现在已经在很多工业场合进行了应用，包括国外的一些用户。这是3C行业电子电路板的一个测试环节。还有一个小的上下料的生产线，这个是一个机床上下料，其实协作机器人的特点就是不需要围栏，而且不占地方。其实前两年我们在推这种协作机器人给用户的时候，用户觉得这个价格贵，用三轴四轴多方便，但实际上现在用户就发现，他的产品迭代了，然后他设备需要升级，升级了以后他们以前用的三轴四轴设备就不能用了，但是我们这套产品可以直接搬到另外一台设备上立马用。

协作机器人在整个自动化柔性生产线设计，整个生产线全部用协作机器人去做其实有难度的，是有挑战的，我们现在就是逐步替代。我们目前在产线上都是在现有工位上，能用机器人的用机器人，然后慢慢把它变成整条自动化线，这种设计思想我们发现客户非常能接受，因为他的风险不大，第二就是对他以前的设备投入没有影响。

逐步的替代，这种模式是传统机器人是做不到的，只有协作机器人适合这种产线的设计，你看我们这条产线是一个四通阀的产线，目前我们是把机器人放在三个最终的检测工位，现在也在逐步地替代前面的装配工位，如果整个替代完以后，它已有的生产设备是不变的，只不过是把人逐步地替代成机器人。而且如果整条产线可以打通的话，这个产线对于用户就有推广价值。现在我们的用户像这种产线就有近百条，一条产线大概就是15到20个人的规模，而且国内大多数制造业，都是这种现状。

还有一个就是我们的驱动模块做了一些双臂协作机器人，这是我们跟英特尔公司合作的平台，英特尔提供它的传感器和控制器，我们做本体，就是我们做整个机构和控制系统，这个机械臂完全用模块拼出来的，英特尔在它上面做了一些软件。

以上就是这次和大家分享的有关协作型机器人一体化驱动与控制单元技术，谢谢！