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1.4 协作机器人的优点和局限性

1.4.1 协作机器人的优点

协作机器人技术的优点主要体现在易用性、灵活性和安全性三个方面。

1.易用性

易用性是机器人设计的重中之重,涉及的具体技术包含各类图形化编程、工艺包、示教方式、指令丰富程度、二次开发平台、系统扩展性(硬接口、软协议),以及离线编程软件等。虽然协作机器人的拖动示教功能特性免去了传统工业机器人复杂的编程和配置,使其操作简单、易上手,但目前市场上的一些协作机器人产品,它们提供的图形界面只能完成一些简单的拣选、取放任务,仍存在易用性不强的问题。为了提高协作机器人的易用性,行业内企业对机器人编程语言进行了开发优化,使机器人能够适应复杂的工作环境。例如,丹麦UR机器人采用一种专利技术的图形化编程方式,把复杂的指令简化为组合按钮的形式,配合拖动示教完成机器人的编程;日本Mujin公司提供的一种简单快速的3D环境重建方法及针对复杂环境进行自动轨迹规划的技术,可以大幅降低机器人部署的时间和工作量;德国Franka公司推出的图形化编程系统,通过组合不同的基本元素,可以使用户在不具备任何专业知识的情况下编写复杂的机器人程序。随着协作机器人应用领域的不断扩展,提升协作机器人的易用性,提供更简单直观、功能更强大的编程方法仍将是协作机器人企业长期努力的方向。

2.灵活性

从软件层面来看,协作机器人系统大多具有学习和演化的能力,采用增强型学习方法和遗传规划可以实现多机协同作业。然而,目前大多机器人的学习和演化还停留在较低的行为层次,其学习和演化的任务和环境也非常简单,当面对更为复杂的任务和环境时,存在时滞评价和组合爆炸问题。同时,对于多智能体的分布式学习与演化,也与传统的集中式学习与演化方法有着明显区别,还有待寻找更为有效的行为优化方法。

从硬件层面来看,协作机器人技术产品多为6自由度及以上的多关节机器人,自重及负载都较小,产品安装方式及其移动部署相对灵活,适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业,如电子、医药、精密仪器等,可以满足更多工业生产及服务行业的操作需要。

3.安全性

安全问题是实现人机协作的前提条件,只有保障了操作人员的人身安全,才能更好地协同工作,提高企业效率。为了有效规范协作机器人的设计及安全,国际标准化组织于2016年3月发布了ISO/TS 15066 Robots and robotic devices—Collaborative robots ,该标准作为ISO 10218 Robots and robotic devices——Safety requirements for industrial robots 的补充,进一步明确了协作机器人的设计细节及系统安全技术规范。

各协作机器人企业都通过开发硬件或软件,抑或两者兼备的方式确保其能实现人机协同作业,但不同企业的实现途径不一。例如,UR公司利用传感器专利技术帮助其实现功率和力的限制功能,能够监控电动机的电流和编码器的位置,通过电流和位置数据,推算出力,实现协作机器人的功率和力的限制功能。ABB公司的YuMi机器人在硬件上通过被软性材料包裹的塑料外壳,能够很好地吸收外部的冲击;在软件上有运动速度和功率限制的设计,当它与人或其他物体接触时,内置的传感器就能及时检测到。Rethink公司的协作机器人产品通过搭载串联弹性驱动器(SEA),将力矩控制转化为弹簧形变量控制,可以实现精确的力矩控制。FAUNC公司在产品底座安装力传感器检测外力。博世公司为协作机器人配备机器人保护皮衣APAS(触觉检测装置),它可以检测受力情况并向控制器提供即时反馈,确保人的安全。

协作机器人具有高安全性,适合要求人员介入的有限空间作业的场景,如电子产品装配,由机器人放置零件,操作人员负责组装。因为协作机器人体积小,质量轻,安装和调试简单,同样一台机器可以相对方便的移动位置,重新进行示教,极大地提高了生产线的柔性。

对于生产线变更时间需要大幅缩短、工作空间狭小等问题,传统的“非自动即动手”的生产装配模式已难以应对,大量工作需要人和机器人协作完成。因此,为搭建灵活高效的制造系统,人机协作成为有效的解决方案。人机协作不仅是解决现实问题的需要,也是企业长远发展的选择。

机器人控制是一个成熟的领域,一个已经在工业上高度商业化的领域。然而,调节人与机器人之间的互动和协作所需的方法还没有完全建立起来。这些问题是实体人机交互(pHRI)和协作机器人(Cobot)领域的研究主题。De Luca和Flacco机器人的创造者提出并规定了机器人必须遵循的三个一致行为的层嵌套,以实现安全的pHRI:

1)安全是协作机器人的第一个也是最重要的特征。尽管最近机器人安全标准化工作取得了进展,但我们仍处于起步阶段。安全性通常是通过避免碰撞来解决的,这种特性要求感知层和控制层都具有较高的反应性和鲁棒性。

2)共存是机器人与人共享工作空间的能力。这包括涉及被动人体的应用程序(如机器人干预患者身体的医疗操作)以及机器人和人在同一任务中没有接触或没有协调的情况。

3)协作是指通过人类的直接交互和协调以执行机器人任务的能力,有两种模式:接触协作(人和机器人之间有明确和有意的接触)和非接触协作(动作由信息交换指导,如身体手势、声音命令或其他形式)。特别是对于第二种模式,必须建立由操作人员进行直观控制的手段,而这可能是非专家用户。机器人应该积极主动地实现所要求的任务,并能够推断出用户的意图,以便从人的角度更自然地互动。

1.4.2 协作机器人的局限性

协作机器人也有一定的局限性,主要表现在以下三个方面:

1.速度慢

协作机器人的运行速度只有传统工业机器人的1/3~2/3,造成这一问题的原因是协作机器人需要对运转进行控制,以防伤害到人,因此运行的速度比较慢。

2.负载小

协作机器人的负载都较轻,一般在20kg以下,这一局限性也是由于为了降低碰撞造成的损失,同时协作机器人较小的自重也导致协作机器人的刚性比传统的工业机器人差很多,重复定位精度也更低。因此,协作机器人在轻工业和演示教学方面应用更广泛。

3.工作范围小

协作机器人的体积一般都较小,常常被用于桌面,其机器臂的长度有限,所以协作机器人的工作范围也比较小,这也限制了协作机器人的应用场景和领域。 NZhMTSOh+dwLLRFX0BMNqRY+Du/r3354kf7WStRygTw65vvUb3aEY71Hin6ZsH5E

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