隨著智能時(shí)代的到來，傳統(tǒng)機(jī)器人也將掀起智能化開發(fā)浪潮。在年初中國傳動(dòng)網(wǎng)舉辦的“2018智能制造&中國運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)發(fā)展高峰論壇”上，沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司副總工程師劉世昌在演講中分享了智能型機(jī)器人的技術(shù)開發(fā)動(dòng)向，并詳細(xì)介紹了目前各類機(jī)器人在開發(fā)上對伺服系統(tǒng)的具體要求。

智能型機(jī)器人：“機(jī)器”向“人”方向演進(jìn)

    現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)模式正從大批量、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，往小批量、定制化、個(gè)性化的生產(chǎn)方向轉(zhuǎn)變，這種變化對于機(jī)器人產(chǎn)品和智能裝備的需求與日俱增，其中也包括對制造設(shè)備的柔性、可重構(gòu)性和成本效益等方面都提出了一定的要求。

    另一方面，未來制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)有：新一輪的工業(yè)革命呼喚機(jī)器人發(fā)展；勞動(dòng)力成本上升加速機(jī)器人應(yīng)用需求；新技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)提升機(jī)器人性能；客戶定制化依賴機(jī)器人制造。制造業(yè)的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)正在發(fā)生著重大轉(zhuǎn)變：生產(chǎn)方式朝著數(shù)字化制造、生產(chǎn)決策朝著人工智能、生產(chǎn)工具朝著智能型機(jī)器人方向演進(jìn)，用機(jī)器人來武裝中國制造是轉(zhuǎn)型升級的唯一出路，機(jī)器人與新一代信息技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等）的融合，將對人類的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生革命性的顛覆。

    從產(chǎn)業(yè)鏈來看，機(jī)器人的上游關(guān)鍵零部件行業(yè)包括伺服電機(jī)、伺服系統(tǒng)、精密減速器、控制系統(tǒng)等等，下游行業(yè)主要包括機(jī)器人的相關(guān)系統(tǒng)集成商，目前國內(nèi)大約有1000多家機(jī)器人相關(guān)企業(yè)，其中約有50多家是上市公司。

    傳統(tǒng)的機(jī)器人更偏向于是一類“機(jī)器”，它比較簡單，而且適應(yīng)性也較差，但今天，技術(shù)進(jìn)步徹底提升了機(jī)器人的性能，機(jī)器人開始由“機(jī)器”向“人”的方向進(jìn)化。這類智能型機(jī)器人更加復(fù)雜、高級，適應(yīng)能力也更強(qiáng)，并且在此基礎(chǔ)之上，將形成一套智能制造的生產(chǎn)模式，具備智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、定制化的“四化”特點(diǎn)，即智能機(jī)器成為生產(chǎn)主力、產(chǎn)品與設(shè)備信息可采集、存儲(chǔ)和分析、產(chǎn)品與設(shè)備信息可聯(lián)網(wǎng)、按客戶訂單來設(shè)計(jì)、甚至單元產(chǎn)品個(gè)性化，機(jī)器人在智能制造模式變革中將發(fā)揮重要支撐作用。

    新松機(jī)器人在開發(fā)上有著全產(chǎn)業(yè)鏈布局，最近幾年，首先在機(jī)器人控制器這一塊，我們在2017年將通用機(jī)器人控制器升級到SIRC感知智能型機(jī)器人控制器，能夠在非結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)安全協(xié)作，且包括豐富的機(jī)器人模型、軌跡規(guī)劃、智能感知算法，以及激光導(dǎo)航、視覺感知、力感知等功能。其次，新松在新型柔性協(xié)作機(jī)器人、雙臂協(xié)作機(jī)器人、輕載復(fù)合機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人+AR技術(shù)、智能服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療輔助機(jī)器人等開發(fā)領(lǐng)域均取得了顯著的成績。

    在智能機(jī)器人技術(shù)的研究上，總體來說，未來的智能型機(jī)器人將具有感知能力，能在復(fù)雜的環(huán)境里面精確地感知環(huán)境特征；具備共融作業(yè)技術(shù)，能建立人機(jī)和諧共存的行為方式和安全機(jī)制；具有交互能力，能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間、機(jī)器人與人之間的自然交互；另外，智能型機(jī)器人還將具備任務(wù)與決策技能，能夠完成復(fù)雜任務(wù)和智能決策。

    機(jī)器人應(yīng)用正逐漸從以汽車行業(yè)代表的高端市場客戶，走向普通市場客戶，其中包括電子制造行業(yè)、五金衛(wèi)浴、金屬加工等民生領(lǐng)域。另一個(gè)重要的發(fā)展趨勢是，機(jī)器人的市場應(yīng)用正在由單機(jī)系統(tǒng)（如：機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)、汽車總裝AGV、機(jī)器人機(jī)床上下料等）向數(shù)字化工廠邁進(jìn)，這些都是值得大家關(guān)注和探索的方向。

機(jī)器人應(yīng)用對伺服的需求重點(diǎn)

    一般來說，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用對伺服系統(tǒng)的要求主要都是單軸伺服驅(qū)動(dòng)器加電機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器單獨(dú)接入交流電，制動(dòng)能量靠制動(dòng)電阻消耗；而現(xiàn)在，越來越多的機(jī)器人應(yīng)用要求使用共直流母線驅(qū)動(dòng)器+電機(jī)的方案，具備公共的直流母線電源模塊，能回收利用制動(dòng)回饋能量，提高效率，降低交流輸入級的成本，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能適合機(jī)器人的運(yùn)行工況。

    伺服系統(tǒng)的部分主要參數(shù)包括：速度環(huán)帶寬（幾百Hz到3KHz）；速度波動(dòng)率、轉(zhuǎn)矩控制精度，這些直接影響到機(jī)器人行走的軌跡精度和定位精度；慣量適用范圍，即機(jī)器人帶著負(fù)載的情況下，或是在做運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡都有可能發(fā)生改變，這對于每個(gè)關(guān)節(jié)來說會(huì)產(chǎn)生不同的影響，因此對伺服的慣量也有一定的要求，總體來說就是適用范圍要擴(kuò)大。

    在電機(jī)方面，目前工業(yè)機(jī)器人上用到的電機(jī)基本上都是永磁同步電機(jī)，反饋裝置大多是多圈絕對值編碼器（也有用旋轉(zhuǎn)變壓器的），且?guī)в兄苿?dòng)器，讓機(jī)器人在下電時(shí)保持一個(gè)姿態(tài)。

    在伺服驅(qū)動(dòng)器方面，工業(yè)機(jī)器人一般采用的是總線通信型產(chǎn)品（EtherCAT、CAN等），以實(shí)現(xiàn)位置、速度、電流環(huán)控制；同時(shí)驅(qū)動(dòng)器還要具備振動(dòng)抑制功能；并要集成安全功能，以保證機(jī)器人安全轉(zhuǎn)矩關(guān)斷、安全停止、安全制動(dòng)控制等運(yùn)行要求；另外，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒功率擴(kuò)速運(yùn)行，就需要具有弱磁功能。

    對于協(xié)作機(jī)器人來說，它相對于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用來說，還應(yīng)注意以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是，它的關(guān)節(jié)一般都是一體化的，因此包括編碼器、驅(qū)動(dòng)器、減速器、電機(jī)、制動(dòng)器等都需采用集成式設(shè)計(jì)。二是，協(xié)作機(jī)器人的負(fù)載自重比較大，基本可以達(dá)到1：7到1：3，目前國內(nèi)技術(shù)還做不到后者。第三，要求有良好的人機(jī)協(xié)作性能，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人不具備人和機(jī)器人直接接觸的能力，但現(xiàn)在，一些機(jī)器人具備了力感知功能，可以與人進(jìn)行安全協(xié)作。

    除了電機(jī)之外，協(xié)作機(jī)器人對伺服驅(qū)動(dòng)器有一些特殊的需求，其中包括：由于協(xié)作機(jī)器人的走線和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穿氣管都在內(nèi)部，所以要求電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)器等都要放在一個(gè)大中空的結(jié)構(gòu)里；一般來說都采用無框電機(jī)，永磁定子、轉(zhuǎn)子分體設(shè)計(jì)；無論是驅(qū)動(dòng)器還是電機(jī)都要求尺寸小、功率密度高，可以集成在有限的空間內(nèi)；直流24V或者48V供電，并可方便搭載在電池供電的移動(dòng)機(jī)器人上。而對于移動(dòng)機(jī)器人來說，它的特點(diǎn)主要是輪式結(jié)構(gòu)，用于室內(nèi)或室外的移動(dòng)作業(yè)，包括雙輪差動(dòng)、四驅(qū)、全方位輪等，直流無刷/有刷電機(jī)，反饋裝置多用增量式編碼器和數(shù)字HALL，一般配合行星減速器來使用。

    展望未來，我們認(rèn)為機(jī)器人最終的發(fā)展方向是和人類一起在工廠里進(jìn)行協(xié)同工作，機(jī)器人并不是要完全替代人類，并且現(xiàn)在看來機(jī)器人替代人類的部分生產(chǎn)操作之后，仍然還有很多工作需要人類來解決。在新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)展趨勢下，中國必將成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場，與此同時(shí)，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等前沿技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的跨學(xué)科融合，這些先進(jìn)技術(shù)將滲透到人類生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，引領(lǐng)世界進(jìn)入到服務(wù)機(jī)器人時(shí)代。