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柔性時代已來——新一代柔性協作機器人Xmate

行業專題 | 時間: 2019-10-24 | 中國機器人網 于晶 | 編譯:阿芬

  協作機器人(Collaborative Robot),指被設計成可以在協作區域內與人直接進行交互的機器人,中小企業(Small and medium-sized enterprises,SMEs)是協作機器人的非常重要的客戶群,而協作機器人的興起也與SMEs密不可分。
 
  協作機器人的起源
 
  Esben Ostergaard, Kasper Stoy 和 Kristian Kassow在南丹麥大學一起做研究時創辦了Universal Robot,現在的CEO Esben Ostergaard當時是南丹麥大學的助理教授,三個人發現了中小企業對機器人的新需求(也與當時丹麥政府主導的一項機器人計劃有關),并在2009年推出了第一款協作機器人UR5。在UR5之前的絕大多數協作機器人都是在傳統機器人的基礎上改造的,UR5是第一個從產品設計伊始就以協作機器人的要求進行開發的機器人。
 
  之后不久(2008年),著名機器人專家Rodney Brooks創辦了Rethink Robotics,其最初的目的是為了幫助美國本土的SMEs提高生產效率,降低成本,減少離岸外包。最初推出的雙臂Baxter并不是很成功,慢慢開始落后于UR,去年秋天推出了新款的單臂Sawyer機器人,市場接受度如何還有待觀察。
 
  在UR和Rethink之后,成長出一大批新創立的協作機器人公司,市場上的協作產品也越來越多,協作機器人的概念開始慢慢被大家所認識和接受。
 

 
  在第九屆中國國際機器人高峰論壇上,珞石(北京)科技有限公司機器人事業部總經理的王皓先生和我們分享了珞石科技在協作機器人領域的探索實踐和應用,以及落地的分享。
 
  協作機器人和傳統六軸機器人的區別
 
  協作機器人也屬于工業機器人,但是和傳統的六軸機器人相比,在工藝上有什么區別?“在機器人行業的應用中,傳統的六軸機器人廣泛應用在汽車、3C行業,而這些行業都屬于大的代工企業,生產線成熟、工業穩定,一年換產的幾率非常高,工程師編好程序,直接開始生產就可以了,像這種注重效率的應用,必須使用六軸機器人,”王皓說道:“而在推廣的過程中,發現很多的小企業,例如集成商,在生產線上換產非常頻繁,對于這些中小企業,他們的訴求是更希望可以換產頻繁,易操作。最重要的一點就是安全,傳統的機器人總之要用安全圍欄圍起來,每年發生很多的事故,需要大量的成本在安全系統,協作機器人需要和人共同完成生產,必須解決安全性的問題。”
 
  總結二者的區別就是,傳統工業機器人是單一的品種,批量大規模的生產;協作機器人是定制化、多品種,小批量的生產。所以協作機器人必須滿足幾個特點:易用、安全、低成本。能夠自主規劃圖形化編程、拖動示教,降低系統集成培訓、編程維護成本;安全的設計,降低硬件防護投入,減少占地面積減少安全投入。

  市場上主要協作機器人的分布
 
  第一代,基于傳統機器人的改造。這類協作機器人基于現有機型,負載、臂展選擇余地大,探測手段可選種類多;但是自重大導致速度必須很慢,而且精度安全性有一定的缺陷,舊產品設計思路與協作不符,改造成本高,與人機協作的理念有一些不太符合。
 
  第二代,成本/性能達到較好平衡,且大規模生產并為大家所熟知的“協作”機器人。例如UR這一類市場占比較大的的協作機器人,特點就是輕量化、低電壓、負載小,是相對比較安全的一種傳統機器人變種,結構簡單,對控制和規劃要求比較低,能夠滿足一般物料搬運、定位、和機床上下料的需求。但是在價格、易用性、柔性、安全性上海存在很多問題。
 
  第三代,進化版協作機器人。以ABB為代表的協作機器人,具有精確的機械臂動力學模型,精確傳動模型以及振動補償;具備無扭矩傳感器,通過極大地降低自重和負載的方式把自身摩擦力、慣量對拖動、碰撞、力控的影響降低到足夠多的的水平。但是這個線纜在里面的設計不是一個重工的電機,線纜走向比較復雜,設計原理決定了無法做大負載機型,真正的落地還需要改進。
 
  第四代,基于SEA的柔性機器人。Soft robot based on SEA(Serial Elastic Actuator),仿生手臂道路上的中間版本,也是目前成本和性能平衡性較好的下一代協作機器人技術。
 
  這種機器人每一個關節有一個柔性傳感器,把傳統的前三代的位置控制,都是控制機器人的末端,從某一個點達到某一個點,根據時序進行控制,改成一個高控或者低控,直接力控制,可實現高動態力控,高靈敏拖動示教/碰撞檢測;真正用每一個關節的傳感器進行閉環的反饋,實現控制檢測,這些機器人都是我們認為在關節增加了力傳感器可以很好結果力控的柔性的一種機器人。
 
  新一代柔性協作機器人xMate
 
  分析了四代協作機器人的產品和機器人操作系統,目前需要思考的是協作機器人能應用在什么場景,什么場景是傳統的工業機器人不能應用,或者完全不能解決的問題。珞石在調研了汽車零部件、3C行業、基礎加工以及學校科研等行業應用之后,這幾個市場占了工業機器人九成的份額,去年全球賣了40萬臺機器人,但是只有5%的工業應用是在機器人的應用,還有大量的工藝沒有被開發,是原來的機器人做不了的。比如衣服,比如一個鈕扣,比如一個簡單的就是這種復雜的需要模擬人形或者人的動作來實現的裝備,其實都是采用力的感知來進行的。協作機器人主要應用在力感知上。例如指紋箱和變速箱,包括電動板,一些精密的對準了可以插進去的機器,包括一些打磨,包括這些力控的環境,都是需要協作機器人結合力控環境進行一個布局。
 

 
  所以珞石在得到這些反饋之后,不斷地改善、迭代,真正意義上做到柔性的協作機器人——新一代柔性協作機器人 xMate,它具有的特點是:極致安全、一觸即停;極致靈活,接近人手;極致靈敏,精準觸控。七軸設計,有更佳的靈活性和適應性,每個關節配備力的傳感器,進行一個直接的力控的框架,七軸可以看到它可以在空間任何一個位置在可達的基礎上可以非常適應推出不同機型的形態姿態,讓機器人的布局非常方便。第二沒有控制柜的緊湊設計,由于是低壓測試,我們的伺服在緊湊的本體可以用現代非常狹窄的空間,本體的重量也是下降了很多,基本比傳統的機器人下降40%。
 
  珞石科技在這方面的產品中解決了以前的拖動示教的問題,就是原來的拖動不靈敏等等,傳統的一些機器人都是按照電流的反饋進行控制。還有碰撞檢測,其實跟拖動示教是一個原理,高控和低控實現傳統電流檢測的不靈敏,真正意義上碰撞能量大,以及緩沖上力的控制。協作機器人使用簡單,是否真正可以實現部署成本非常低,可以看到我們不能用性能降低解決綜合的一個成本,協作機器人雖然精度上比傳統機器人低了一個數量級,但是可以看到它解決的是很多的傳統機器人不能解決的問題,比如力控的裝配和打磨,這些是只用位置控制不能解決的問題,這時候其實部署成本反而比以前有了一定的降低。
 
  王皓先生說道:“我們在力控柔性協作機器人上的應用,可以定義一個自己的市場,希望和同行共同交流,在協作機器人這個市場,可以找到非常好用的一個產品,讓大家不需要在非常高的供求成本,不需要這么多的電器工程師轉產維護,為器械這個行業做出珞石應有的一份貢獻。”

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