1.3.3 协作机器人的关键技术

1.核心零部件

协作机器人本体部分一般由关节模组构成，每个关节模组一般包括减速器、电动机、编码器、抱闸、驱动器和控制器等；常见的协作机器人关节模组如图1-20所示。

在协作机器人关节中，谐波减速器是最常用的减速器，也是最具有技术含量的关键核心零部件；常用的电动机是无框力矩电动机；编码器分为绝对式编码器和相对式编码器，绝对式编码器常用于采集关节角度，放置在关节输出端，相对式编码器常用于采集关节速度，放置在电动机末端；抱闸是关节模组的“刹车”部件，可实现紧急制动；协作机器人的关节模组一般采用驱控一体的驱动器来实现驱动和控制功能，结构紧凑。此外，还有一些其他机械零部件，如螺钉、轴承、机械加工件等。

谐波减速器作为协作机器人关节模组的核心零部件，具有承载能力高、传动比大、体积小、传动效率高、无冲击和运动精度高等诸多优势。谐波减速器曾长期被国外垄断，近些年国内才有所突破。国外谐波减速器制造商比较出名的有日本哈默纳科（Harmonic Drive）、日本电产新宝（Nidec-Shimpo）、美国科尔摩根（KOLLMORGEN）等；国内有苏州绿的谐波、深圳大族精密传动和浙江来福谐波传动等。下面对国内这几家公司及产品进行简要介绍：

（1）苏州绿的谐波 绿的谐波是一家专业从事精密传动装置的企业，其谐波减速器有LCD系列、LCS系列、LCSG系列、LHD系列、LHS系列和LHSG系列；在国内率先实现了谐波减速器的工业化生产和规模化应用，打破了国际品牌在国内机器人谐波减速器领域的垄断。

（2）深圳大族精密传动 深圳大族精密传动和1.2节中提到的大族机器人都是大族激光科技产业集团股份有限公司的子公司。

大族精密传动专注于精密减速器及装置、机器人系统、机电一体化设备的研发生产。其产品应用于机器人、航空航天、通信设备、半导加工设备、医疗设备、检测分析设备等领域。

（3）浙江来福谐波传动 浙江来福谐波传动是一家从事高精密谐波减速器和行星减速器研发的企业。来福谐波减速器具有低温升、低起动转矩、高可靠性、高精度、高扭矩、高寿命、大速比、小体积等特性。其产品批量应用于工业机器人、服务机器人、医疗器械、高精密自动化设备等领域。

浙江来福谐波传动的谐波减速器产品主要有LSS系列、LSD系列、LFS/LFS一体机系列、LHT系列和LHS系列。

2.力感知关节

相比于传统机器人，协作机器人在安全方面有着更高的防护等级。一般基于电流环对机器人进行安全防护设置，但力感知的柔性关节更具有优越性，可以直接测量力矩，避免了电流转换环节，响应更快。

近年来，一些机器人厂家推出了带有关节力矩传感器的协作机器人，主要列举如下：

1）KUKA iiwa：每个轴都配有专用的关节力矩传感器，它对周围环境非常敏感。

2）Kinova Gen2 robots：内置全关节力矩传感器，使其拥有良好的安全性及人机交互性。

3）Franka Emika机器人Panda：Franka Emika的力控技术继承自DLR，Franka Emika力矩传感器具有13位分辨率，可实现精准的力控制。

4）Flexiv Rizon 4：Rizon是力控机器人领域内拥有先进技术的协作机器人，能使机器人安全地与人和环境交互、操作、高效生产。

5）Agile Robots：综合利用力控机器人技术、机器视觉、运动规划、自适应抓取、人机协作、模仿学习与增强学习等核心技术。

3.高精度定位

机器人精度的两个指标是重复定位精度和绝对定位精度。

绝对定位精度是指机器人停止时实际到达的位置和期望到达的位置之间的误差，如期望一个轴运动100mm，但实际上运动了100.01mm，那么0.01mm就是绝对定位精度。重复定位精度是指机器人到达同一个位置所产生的误差，如期望一个轴运动100mm，结果第一次实际上运动了100.01mm；重复一次同样的动作，实际上运动了99.99mm，这之间的误差0.02mm就是重复定位精度。

通常情况下，重复定位精度比绝对定位精度要高得多。重复定位精度取决于机器人关节减速器及传动装置的精度；绝对精度取决于机器人算法。

目前，绝大多数协作机器人的重复定位精度都能达到0.02mm。但要继续提升协作机器人的重复定位精度，需要从机器人的本体结构出发，提升关节模组中电动机、减速器和编码器等的精度。

4.行为决策与控制

协作机器人发展的趋势是人工智能，深度学习是智能机器人的前沿技术，也是机器学习领域的新课题。深度学习技术被广泛运用于农业、工业、军事、航空等领域，与机器人的有机结合能设计出具有高工作效率、高实时性、高精确度的智能机器人。

将深度学习、强化学习等机器学习方法与智能机器人相结合，不仅使协作机器人在自然信号处理方面的潜力得到了提高，而且使机器人拥有了自主学习的能力，每个机器人都在工作中学习，数量庞大的机器人并行工作，然后分享它们所学到的信息，相互促进学习，如此将带来极高的学习效率，极快地提升机器人的工作准确度，并且还省略了烦琐的编程；从而提高了协作机器人在工作中的行为决策能力，提升了机器人的智能控制水平。

5.友好的人机交互

人机交互（Human Robot Interaction, HRI）是人和协作机器人系统之间进行互动和交流的桥梁。并且这早已不再仅仅局限于工业中的传统机器，如今还涉及物联网（IoT）中的计算机、数字系统或设备。越来越多的设备连接起来并开始自动执行任务。

人机交互是协作机器人的关键构成部分，为了生成有效的机器人行为，除了完成机器人人机交互的基本功能，还需要完成以下三部分工作：

●向机器人提供正确的知识：成本函数、世界模型。

●设计正确的逻辑策略，使机器人能自主地将知识转化为行动。

●设计学习过程以更新知识和逻辑，使机器人适应未曾预见的环境。

随着智能机器人越来越多地出现在人们的生活中，人机交互将会更广泛地发生。同时，有许多问题亟待研究。对这些问题的探索需要多学科的融合和交叉，如工程学科与社会学科的融合、工程学科与脑科学的融合，以及在工程学科内部机械设计与算法设计的融合，以此创造更好的智能机器人服务大众。