大负载协作机器人“越界”了吗?

国际金属加工网 2020年11月05日

【文/歌者】2015年11月第17届上海工博会期间,发那科在中国地区正式推出当时全球负载最大的协作机器人CR-35iA,一举“名震江湖”。

据悉,CR-35iA机器人手腕部最大负载可达35kg,运动半径达1813mm;作为一款协作机器人,完善的安全功能使CR-35iA可以在没有安全围栏隔离的情况下,与人在同一个空间工作,被广泛应用于汽车制造机床上下料等工作中。

自此,协作机器人的负载范围不断扩大,从最早的10kg扩大到20kg,从UR16e、安川HC20DT到遨博i16、节卡Zu18等产品的问世,大负载协作机器人频繁地出现在人们的视野中。

然而,有别于传统工业机器人,协作机器人给人的第一印象就是小巧与灵活,当负载不断增大之后,如何保证协作机器人的精准控制、安全性等。更为关键的是,真实的市场需求在哪?

多大才是大负载?

从ABB的500g负载单臂协作机器人YuMi,到负载35kg的FANUCCR-35iA,再到负载能够达到110kg甚至是更大的柯马AURA协作机器人,不禁让人开始思考,协作机器人的负载到底多少合适?多大的负载才算是大负载?

遨博智能副总裁黄洪波认为,一般意义上,负载超过10kg,即可认为是大负载协作机器人。

在艾利特CTO孙恺博士看来,只有运动半径在1.7m及以上,负载超过20kg才能算是大负载。即使是把运动半径1.3m、负载12kg的机器人缩短连杆,其仍然不能定义为大负载,这一产品并不存在明显的技术难度。

大族机器人总经理王光能认为,协作机器人负载的上限主要取决于减速机等核心零部。一般20kg负载以下机器人关节用谐波减速器,当协作机器人负载突破20kg后,则需要将谐波减速器换成RV减速器,这将使机器人本体变得笨重,协作机器人灵活小巧的优势也将受限。

目前,市场对协作机器人的负载是有一定要求的,一般将协作机器人负载控制在16kg是大部分客户的选择。由于机器人本身有自重,同时还要还要配上不少零部件以及夹爪等,可能会导致超过承重等问题,这使得一些客户对负载超过12kg的协作机器人会产生担忧。

事实上,要回答这个问题,更为关键的是看人的承重上限在什么水平。毕竟协作机器人的主要目标还是替代人工工作,而20kg负载以上的工作,人工作业较少,因此不是协作机器人主要的工作范围,孙恺强调道。

即使如此,市场上超过16kg的协作机器人并不少见。越疆科技研发总经理刘主福表示,通过与众多集成商、终端客户的交流及市场调查,越疆科技发现某些大负载机器人在应用过程中,也需要与人交互、协作等;而传统工业机器人不仅存在无法与人安全交互协作的问题,其使用体验也较差,无法适应小批量多品种的快速柔性化生产需求。

这正是协作机器人的优势所在,同时也是大负载协作机器人逐渐变多的原因。

大负载带来的那些挑战?

由于协作机器人刚度偏弱,故而在增大负载的情况下,一般都会缩短臂长,工作半径减少。

高工机器人产业研究所(GGII)认为,协作机器人之所以称为协作,安全性是保证其能够实现人机协作的基础,负载的增大,意味着其协作的性能会受到一定程度的打折,需要通过其他方式进行补偿,如传感器、软件算法、附加外设等,在一定程度上会对成本形成一定的考验。

在安全问题保障上,目前市面上大部分的协作机器人采用的主要是碰撞检测的方式实现安全,仍然属于接触式的安全防护,存在碰撞伤害的风险,在本体质量和负载一定的情况下,为达到允许的生物力学限制,协作安全模式下要大幅进行减速。

但由于机器人自身安全属性,冲击、夹伤的危险性依然较大,不少厂家在此基础上增加视觉解决方案,这又对部署空间有较大要求,同时也存在视觉盲区和死角等痛点。

对此,越疆科技采用了非接触电子皮肤主动防护的协作机器人方案,通过非接触式传感机理,在距离人体10-20cm的距离即可实现外物感知,进行碰前防护,这一解决方案使得协作机器人安全最大速度由0.25m/s到1m/s。

孙恺指出,在保障安全性的基础上,尽量提高协作机器人的运行速度,这对关节扭矩检测精度要求将大大提高,大负载协作机器人如何达到这一要求才是主要问题。

此外,参照大负载的工业机器人,不难发现,随着负载的逐步增加,机器人的控制难度将极大,对机器人的效率和稳定性也带来了一系列挑战,协作机器人也不例外,负载同时也是负担。

节卡机器人CTO许雄博士告诉「高工机器人」,为解决上述痛点,节卡机器人自主研发了双编码器全闭环控制策略、动力学转矩前馈策略、安全控制策略-力矩限制及碰撞检测三大核心技术,在此基础上,JAKA Zu 18诞生了,其自重(含电缆)仅35kg,负载自重比高达1:1.94,臂展为1073mm。

为了应对更大的负载,JAKA Zu 18协作机器人对大小臂杆都进行了优化设计,提升了大小臂杆的强度与刚度,使得在大负载作用下大小臂杆的变形量更小。

但更重要的问题是,终端用户是否对大负载协作机器人有真正的需求,在大负载机器人应用场景中,一定要人机协作吗?

据黄洪波介绍,随着协作机器人的应用越来越多,很多客户提出了大负载的要求(主要是16kg和20kg),但这不能说是协作机器人的发展趋势,毕竟大负载除了负重载荷满足了应用需求,还要考虑其刚性、速度、臂展等,与传统工业机器人相比,大负载协作机器人在某些条件下,并不具备优势,因此大部分的大负载协作机器人还是以试探性应用为主,其场景主要是搬运、码垛等。

相较于轻量型协作机器人,大负载的机器人由于负载的增大,绝对精度会出现一定程度的降低,因此其主要应用场景还是集中在定点的搬运、包装、码垛等领域。越疆科技结合非接触式电子皮肤系列化的大负载协作机器人产品,目前已经在工件上下料、食品包装等领域得到应用,客户通过非接触式的安全防护,兼顾了安全与效率。

市场需求的产物

存在即合理,产品始终是紧跟市场需求的。协作机器人负载越来越大,本身也是为了解决某些细分场合中替代人力的问题,同样部分企业的产品行为也只是来自其观察到的市场需求而已。

至于对大负载协作机器人是否“越界”的看法,黄洪波认为,产品本身不会存在明显的“界限”,它会根据事物发展的规律去寻找应用的拓展;通过产品线的补充及产品技术的突破,来达到行业发展的新契机,为企业增加一个新的业务增长点。甚至未来,协作机器人与传统工业机器人之间将逐步融合、互相借鉴,而后在定位各自适合的场景。

大负载协作也只是学习借鉴了传统工业机器人,正如工业机器人正在逐步增加力传感器一样,因此不能简单地定义为产品“越界”,更应该称之为融合共生。互相借鉴,共同“打怪”。


(高工机器人网)

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