详解协作机器人伺服、传感器核心器件

　　协作机器人近几年才开始获得广泛关注，但实际上协作机器人的概念首次提出是在上世纪90年代。协作机器人作为新兴的、备受关注的机器人种类，其具备很多优点，概括起来有主要四个：安全、低成本、灵活性以及易于上手的使用方法。

　　据预测，协作机器人从2015年到2020年会增长十倍，市值从2014年的9500万美元涨到10亿美元，而轻量级机器人会在两年内大受欢迎，价格降到1.5到2万美元。分析公司TechNavio预计，到2019年全球协作机器人高值的年复合增长率会是50.88%。

　　三大代表——日系、欧系和国产

　　市场上在人机协作安全设置的方法上普遍存在这两个问题：一是为保护人身安全需要设置安全光栅，加大了设备及成本投入；二是操作复杂，不熟练操作的人员无法操控机器人。为此，安川电机推出具有“设置后立刻使用”“安全便捷”特点的MOTOMAN-HC10。所有轴都配备有力觉传感器，一监测到与人体触碰，就会自动停止工作。机器外臂裹着用来吸收碰撞的蓝色柔软材，完全可以实现HC10与人同一空间内工作，不需要安全栅，节省成本。

　　提及欧系代表，优傲机器人当仁不让。UR5可以说是世界上第一台协作机器人，2009年就已经面世。仅通过声音、手势、图形就能够理解人类指令；人机协作不需要遮挡物也能安全生产，具备超强的人类感知性能；模块化插头和生产部件，三天就可部署的集成机器人系统。

　　工业机器人的灵活性是由什么因素决定的？众所周知，最重要因素就是轴数。机器人轴的数量决定了其自由度，自由度越高机器人就越接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。新松机器人设计的这款7轴柔性多关节机器人，可以说是国内首台7自由度协作机器人，具备快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测等功能。如果在一个狭小的空间内工作，而且需要机械臂反复扭曲反转，这七轴的机器人会是很好的选择。

　　终极奥义——协作机器人的产品界定

　　灵活性：相比传统大型生产线上的工业机器人，协作机器人需要和人类协作，结构尺寸应该更轻巧、更柔性，可操控的空间更大。

　　易用性：协作机器人强调易用性，例如可以通过手势，由可传感设备来跟随，降低使用门槛，一线工人可能只需要几个小时就会操作，免去传统工业机器人复杂的编程和配置。

　　安全性：协作机器人主要用于人机协作，和人类一起工作，必须保证安全，不能因为意外伤害到人类。这对协作机器人的感知、控制都要求很高。

　　成本低：协作机器人面向中小企业，尽可能低的成本是非常重要，但往往成本低性能也会随之降低，如果在控制成本的同时提高性能，是相对较难的。

　　不可或缺——伺服和传感器

　　协作机器人要具备以上4个特点，就必须要有感知、控制和限制力矩的能力。通过感知外部极小的力矩变化并做出反应避免碰撞，让人机协作过程更轻松、安全。

　　超小型、功能强大的伺服驱动器

　　一个驱动器物理尺寸足够小到能直接安装在机器人关节上，保证了机器人尺寸小巧结构紧凑。伺服驱动器直接安装在机器人关节上，把驱动器放置在离编码器反馈足够近的地方可以节省电缆，能减少干扰影响，获得比较低的EMI和RFI指标，系统稳定性大大提升。另一个让驱动器更易集成进关节的特性是驱动器固有的坚固性，可以承受关节内极高的机械加减速度。

　　双闭环控制算法

　　双闭环控制算法可以提升伺服电机性能达到最优状态。系统里的每个轴采用双闭环控制算法来提高减速机后端关节末端位置的定位精度。增量式编码器和Hall元件作为速度环反馈置于减速箱前端，19位高分辨率绝对值编码器作为负载末端位置反馈。

　　运动冗余

　　运动学冗余对于在一个特定的空间内操作几个机器人是很有用处的，因为运动干涉很容易处理。六个自由度是具有完成空间定位能力的最小自由度数，多于六轴的机器人，统一称为冗余自由度机器人。与传统的6关节机器人相比，7关节机器人可以以多角度伸展机械臂接近一个特定的原件。冗余自由度机器人在避障、克服奇异点、灵活性和容错性方面具有更多的优势，因此在复杂的工作环境中冗余自由度的工业机器人将拥有更多的用武之地。

　　力矩传感器

　　在人机协作的环境中，这些机器人被安排去完成高速、高精度的任务。使用相机、力传感器和其他感知元件，机器人可以感知到人存在并做出相应动作避免对人造成伤害。某些情况下，力矩传感器被放置在电机减速箱的后面来直接检测外部力矩的任何快速增加的变化；而其他时候，机器人需要输出一定扭矩去提升负载和把负载从一个位置移动到另一个位置。当机器人识别出运动过程中一个异常扭矩增加值，如碰撞，会自动停下来。

　　安全传感器

　　要想让工业机器人与人进行协作，首先要找出可以保证作业人员安全的方法。这些传感器有各种形式，从摄像头到激光等，目的只有一个，就是告诉机器人周围的状况。最简单的例子就是电梯门上的激光安全传感器。当激光检测障碍物时，门会立即停止闭合并回缩，以避免碰撞。在机器人行业里的大多数安全传感器也差不多是这样。

　　零件检测传感器

　　在零件拾取应用中，（假设没有视觉系统），你无法知道机器人抓手是否正确抓取了零件。而零件检测应用可以为你提供抓手位置的反馈。例如，如果抓手漏掉了一个零件，系统会检测到这个错误，并重复操作一次，以确保零件被正确抓取。