【重磅】破局工业七轴机器人发展

【重磅】破局工业七轴机器人发展

ZR-ROBOT子锐机器人维修网讯：近期，国际知名机器人厂商纷纷发布七自由度工业机器人产品，这引发了我们的思考。七轴工业机器人从上世纪七十年代末逐步发展至今，为工业自动化的推进起到了重要的作用。由于具备其独特的技术优势，因此其相关产品动向更值得我们深入研究。

众所周知，目前较先进的传统机器人一般最多具有六个自由度，其中，前三个自由度引导夹手装置至所需的位置，而后三个自由度用来决定末端执行装置的方向。在三维空间内，刚体需要六个独立参数确定其位姿，因此，机器人的任务空间最多需要六个自由度就足够了，一般不要求机器人具有六个以上的独立自由度，而过多的自由度就会产生冗余自由度。

冗余度机器人，是指含有主动关节数多于完成某一作业任务所需的最少自由度数的一类机器人。其实，如上文所说，子锐机器人，六个自由度是具有完成空间定位能力的最小自由度数，而增加的自由度便可改善机器人相关的运动学和动力学特性。

虽说真正产品化的七自由度工业机器人与传统的六自由度，甚至更少自由度的工业机器人相比，无论是从产品种类，还是销售占比差距都十分明显。但正是由于其拥有有别于非冗余自由度机器人的冗余特性，使得七自由度的机器人优于六自由度机器人，而成为人们关注的焦点，也使得对冗余度机器人的研究变得日趋重要。

七轴机器人广泛用于医疗、深海、遥操作等应用场合中。虽说冗余自由度机器人在工业的应用场合远不如医疗机器人、特种机器人的需求那么大，可就在近期，各机器人厂商纷纷发布最新的人机协作机器人，它们几乎全部都采用七个轴的冗余自由度工业机器人。国际知名机器人厂商纷纷发力，推出七轴机器人新产品，以抢占高端新市场，这更引发了我们对于七轴工业机器人的深入思考。

机器人历史沿革中，七轴工业机器人经历了怎样的曲折发展？冗余的自由度能够为机器人带来哪些好处？存在哪些研发难点？近年来国际上发布了哪些工业七轴机器人产品？我国的产业布局又是如何？这些问题可在本文窥见一斑。

我国研发始于20世纪90年代初期

上世纪70年代末80年代初，为了更好地解决空间技术难题和先进制造的需要，国外科研人员开始对冗余自由度机器人进行研究。1979年，东京大学便研制了UJIBOT七轴机器人操作手；1987年，日本MITI机械工程实验室研制了七轴直接驱动型机器人操作手；美国的RoboticsResearch公司于1987年更是开发出有两个七自由度机器人和三自由度组成的机器人系统。

我国对于七轴机器人的科研工作始于20世纪90年代初，而当时项目的领军人物正是我国已故的著名机器人技术专家、中国工程院院士张启先，而张启先院士的主要贡献之一便是完成了七自由度冗余机器人样机的研制。

上世纪80年代末，由于研制难度及其之大，国际上研制出七自由度冗余机器人样机的国家寥寥无几。而张启先院士率领课题组经过几年的艰苦拼搏，在1993年年底完成了首台七自由度冗余机器人样机的研制，并一次通过863课题验收和部级鉴定。

此项成果不仅在我国处于领先地位，而且在某些方面还达到国际先进水平。1995年，北京航空航天大学机器人研究所为香港科技大学研制的新型七自由度机器人采用了交流伺服电机驱动，而且控制系统更为先进可靠。该样机在香港科技大学展出后，受到了校方的一致好评。

尽管我国在冗余自由度机器人方面取得一定成果，但主要停留在学术论文、科研报告和实验样机的阶段，并没有实现真正的产品化发展，这无疑制约了我国机器人产品向高端产业化迈进的步伐。

在制造业中的应用颇具潜力

对于六轴工业机器人来说，因其机构属性，当其末端位姿轨迹规定之后，不可避免地存在一些问题。比如无法避障、运动灵活性差、不能克服关节运动极限、动力学性能偏弱等天然弱点。冗余自由度机器人具备独有的自运动特性，能够克服传统机器人的种种弱点。另外，冗余的自由度还具有容错性，这对于很多特殊环境的应用场合有着极其重要的实用价值。

在很多特殊的制造业场合，我们可以利用其冗余的自由度来改善传统机器人臂的不足，达到仿人类手臂的运动特性和操作灵活性的效果。

实际上，七个自由度是机器人对人类手臂最真实的还原。人体手臂不仅具有采用多种方式完成多种任务的能力，而且针对同一种任务，也可以通过多种方式来完成，而七轴机器人正是具有类人的高度运动灵活性。

在现实的制造工厂中，会存在诸多障碍物较多的狭小场所，如果人们希望机器人避开周围的障碍物而顺利搬运工件的时候，七轴机型就能发挥其独有的优势。另外，七轴机器人可做到六轴机器人无法完成的动作，例如固定好工件位置之后只转动中间一截机器人臂。

再比如，汽车行业中有将多台机器人组成紧凑型系统的需求，这时就需要将机器人高密度摆放。六轴机器人由于自由度不够、避免机器人之间的干涉有局限、在高密度设置时有限制。这种情况时就需要自由度更高的七轴机器人来避免干涉。为了实现焊接的高速化、高质量，双电极焊接法作为一种方案被提出。在双电极焊接法中两个电极都需要沿着焊缝进行焊接，六轴机器人由于其自由度不够，会有与夹具或工件干涉的问题。使用七轴机器人则可以通过机器人臂姿态的调整解决这个问题。

随着工业自动化的发展，机器人的智能化应用变得越来越广泛，而机器人智能化的体现，不仅取决于它所具备的智能控制系统，在一定程度上还有赖于机器人的结构特性。而冗余自由度机器人因其自身的几何结构所具有的高度灵活性，得到了广泛研究和迅速发展，已成为机器人技术发展的一个重要方向。

具备诸多技术优势

到底七轴机器人比六轴机器人强在哪儿？从技术角度看，主要有以下几个层面。

改善运动学特性

在机器人的运动学问题中，三个问题使得机器人的运动受到非常大的限制。

第一是奇异构型。当机器人处于奇异构型时，它的末端执行器不能绕某个方向进行运动，或者施加力矩，因而奇异构型极大的影响了运动规划。

第二是关节位移超限。在真实工作情况下，机器人每个关节的运动的角度范围是受到限制的，最理想的状态是正负180度，但是很多关节是做不到的。另外，七轴机器人可以避免角速度运动过快，让角速度分配得比较均匀。

第三是工作环境中存在障碍。在工业环境下，很多场合存在各种环境障碍，传统的六轴机器人无法只改变末端机构的姿态，而不改变末端机构的位置。

对于机器人的可达工作空间，在此空间内，机器人不但可以保证位置，末端的姿态也可以保证，是整个工作空间的一个子空间。对应给定的可达工作空间的末端位姿，六轴机器人很难解决以上问题。在工业应用场合，常常以牺牲末端位姿路径的跟踪精度为代价来解决这些问题，而七轴的机器人就可以扩大其可达工作空间的范围，从而实现壁障、避免奇异构型、在允许范围内限制关节位移。这些运动不会引起末端的运动，因此多了的自由度使得七轴机器人可实现自运动。由于七轴机器人的运动学逆解有无穷多个，因此这也使得科研人员能够充分调动主观能动性，利用其自运动改善运动品质，完成更多复杂的任务。

改善动力学特性

对于七轴机器人而言，利用其冗余自由度不仅可以通过运动轨迹规划达到良好的运动学特性，并且我们可以利用其结构实现最佳的动力学性能。