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七軸工業(yè)機(jī)器人 VS 六軸工業(yè)機(jī)器人，強(qiáng)在哪？

2021-12-17 來源：- 作者：-

　　近年來，跨國機(jī)器人巨頭們紛紛推出七軸工業(yè)機(jī)器人，以搶占高端新市場，這引發(fā)了我們對(duì)于七軸工業(yè)機(jī)器人的深入思考，它具有哪些獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，存在哪些研發(fā)難點(diǎn)，近年來國際上發(fā)布了哪些工業(yè)七軸機(jī)器人產(chǎn)品，我國七軸工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化又進(jìn)入了哪一階段？

　　工業(yè)機(jī)器人到底應(yīng)該有幾個(gè)軸？

　　目前，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但我們也發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人不僅形狀各異，其軸數(shù)也各不相同。所謂工業(yè)機(jī)器人的軸，可以用專業(yè)的名詞自由度來解釋，如果機(jī)器人具有三個(gè)自由度，那么它可以沿x，y，z軸自由的運(yùn)動(dòng)，但是它卻不能傾斜或者轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人的軸數(shù)增加，對(duì)機(jī)器人而言，就是更高的靈活性。那么工業(yè)機(jī)器人應(yīng)該有幾個(gè)軸才合理呢？

　　三軸機(jī)器人也被稱為直角坐標(biāo)或者笛卡爾機(jī)器人，它的三個(gè)軸可以允許機(jī)器人沿三個(gè)軸的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)器人一般被用于簡單的搬運(yùn)工作之中。

　四軸機(jī)器人，可以沿著x，y，z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，與三軸機(jī)器人不同的是，它具有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的第四軸，一般來說scara機(jī)器人就可以被認(rèn)為是四軸機(jī)器人。

　　五軸是許多工業(yè)機(jī)器人的配置，這些機(jī)器人可以通過x，y，z三個(gè)空間周進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以依靠基座上的軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身的動(dòng)作，以及手部可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，增加了其靈活性。

　　六軸機(jī)器人可以穿過x，y，z軸，同時(shí)每個(gè)軸可以獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，與五軸機(jī)器人的最大區(qū)別就是，多了一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。六軸機(jī)器人的代表就是優(yōu)傲機(jī)器人，通過機(jī)器人身上的藍(lán)色蓋子，你可以很清楚的計(jì)算出機(jī)器人的軸數(shù)。

　　七軸機(jī)器人，又稱為冗余機(jī)器人，相比六軸機(jī)器人額外的軸允許機(jī)器人躲避某些特定的目標(biāo)，便于末端執(zhí)行器到達(dá)特定的位置，可以更加靈活的適應(yīng)某些特殊工作環(huán)境。

　　隨著軸數(shù)的增加，機(jī)器人的靈活性也隨之增長。但是，在目前的工業(yè)應(yīng)用中，用得最多的是三軸、四軸和六軸的工業(yè)機(jī)器人，這是因?yàn)椋谀承?yīng)用中，并不需要很高的靈活性，而三軸和四軸機(jī)器人具有更高的成本效益，并且三軸和四軸機(jī)器人在速度上也具有很大的優(yōu)勢。

　　未來，在需要高靈活性的3C產(chǎn)業(yè)，七軸工業(yè)機(jī)器人將擁有用武之地，隨著其精度不斷增加，在不遠(yuǎn)的將來，它將取代人工進(jìn)行裝配手機(jī)等精密電子產(chǎn)品。

　　七軸工業(yè)機(jī)器人比六軸工業(yè)機(jī)器人

　　強(qiáng)在哪？

　　從技術(shù)上來看，六軸工業(yè)機(jī)器人存在什么問題，七軸工業(yè)機(jī)器人又強(qiáng)在哪？

　?。?）改善運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

　　在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題中，三個(gè)問題使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)受到非常大的限制。

　　第一是奇異構(gòu)型。當(dāng)機(jī)器人處于奇異構(gòu)型時(shí)，它的末端執(zhí)行器不能繞某個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，或者施加力矩，因而奇異構(gòu)型極大的影響了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

　　六軸機(jī)器人第六軸和第四軸共線發(fā)生奇異

　　第二是關(guān)節(jié)位移超限。在真實(shí)工作情況下，機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)的角度范圍是受到限制的，最理想的狀態(tài)是正負(fù)180度，但是很多關(guān)節(jié)是做不到的。另外，七軸機(jī)器人可以避免角速度運(yùn)動(dòng)過快，讓角速度分配得比較均勻。

　　新松七軸機(jī)器人各軸運(yùn)動(dòng)范圍及最大角速度

　　第三是工作環(huán)境中存在障礙。在工業(yè)環(huán)境下，很多場合存在各種環(huán)境障礙，傳統(tǒng)的六軸機(jī)器人無法只改變末端機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，而不改變末端機(jī)構(gòu)的位置。

　　（2）改善動(dòng)力學(xué)特性

　　對(duì)于七軸機(jī)器人而言，利用其冗余自由度不僅可以通過運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，并且我們可以利用其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)力學(xué)性能。

　　七軸機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)力矩的再分配，這里涉及到機(jī)器人的靜力平衡的問題，也就是說，作用在末端的力，通過一定的算法算出每個(gè)關(guān)節(jié)承受的力有多大。對(duì)于傳統(tǒng)的六軸機(jī)器人來說，其每個(gè)關(guān)節(jié)的力是一定的，它的分配可能很不合理。但是對(duì)于七軸機(jī)器人來說，我們可以通過控制算法調(diào)整各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩，讓薄弱的環(huán)節(jié)承受的力矩盡量小，是整個(gè)機(jī)器人的力矩分配比較均勻，更加合理。

　?。?）容錯(cuò)性

　　機(jī)器人在發(fā)生故障時(shí)，如果有一關(guān)節(jié)失效，傳統(tǒng)六軸機(jī)器人便無法繼續(xù)完成工作，而七軸機(jī)器人可以通過重新調(diào)整故障關(guān)節(jié)速度（運(yùn)動(dòng)學(xué)容錯(cuò)）和故障關(guān)節(jié)力矩（動(dòng)力學(xué)容錯(cuò)）的再分配實(shí)現(xiàn)繼續(xù)正常工作。

　　國際巨頭們的七軸工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品

　　無論從產(chǎn)品角度，還是從應(yīng)用角度，七軸工業(yè)機(jī)器人目前都還處于初步發(fā)展階段，但各大廠商紛紛在各大展覽會(huì)力推相關(guān)產(chǎn)品，可以想見對(duì)其未來的發(fā)展?jié)摿€是十分看好的。

　　- 庫卡LBR iiwa

　　2014年11月，庫卡在中國國際工業(yè)博覽會(huì)機(jī)器人展上首次發(fā)布kuka第一款七自由度輕型靈敏機(jī)器人LBRiiwa。

　　LBRiiwa七軸機(jī)器人基于人類手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)合集成的傳感器系統(tǒng)，使該輕型機(jī)器人具有可編程的靈敏性，并使其具備了非常高的精確度。而七軸的LBRiiwa所有的軸內(nèi)均配備高性能碰撞檢測功能、集成的關(guān)節(jié)力矩傳感器，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。

　　七軸的設(shè)計(jì)，使得KUKA的該款產(chǎn)品有較高的靈活度，可輕松地越過障礙物。LBRiiwa機(jī)器人的結(jié)構(gòu)采用鋁制材料設(shè)計(jì)，其自身重量只有23.9千克。其負(fù)荷有兩種，分別為7千克和14千克，使其成為首款負(fù)荷超過10千克的輕型機(jī)器人的產(chǎn)品。

　　- ABB YuMi

　　2015年4月13日，abb在德國漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式向市場推出全球首款真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的雙臂工業(yè)機(jī)器人YuMi。

YuMi每個(gè)單臂均為七個(gè)自由度，機(jī)身重量為38千克。其每條手臂的負(fù)載為0.5千克，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.02毫米，因此特別適合小件裝配、消費(fèi)品、玩具等領(lǐng) 域。從機(jī)械手表的精密部件，到手機(jī)、平板電腦，以及臺(tái)式電腦零件的處理，對(duì)于YuMi來說都不在話下，而這正體現(xiàn)出該款冗余度機(jī)器人表現(xiàn)出的擴(kuò)大可達(dá)工作空間、靈活敏捷、精確等種種優(yōu)良特性。

　　- 安川莫托曼SIA

　　日本知名機(jī)器人制造商，“四大家族”之一的安川電機(jī)也發(fā)布了多款七軸機(jī)器人產(chǎn)品。其中SIA系列機(jī)器人是輕型敏捷型七軸機(jī)器人，該系列機(jī)器人能夠提供類人的靈活性，并且能夠快速加速。該系列機(jī)器人采用輕量化和流線型設(shè)計(jì)，使其非常適合安裝在狹小的空間內(nèi)。SIA系列可提供較高的有效載荷（5千克至50千克）以及較大的工作范圍（559毫米至1630毫米），很適合從事裝配、注塑、檢驗(yàn)等操作。

　　除了輕型七軸機(jī)器人產(chǎn)品外，安川還發(fā)布了七軸機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其高自由度能夠盡最大可能保持最適合的姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的焊接效果，特別適合內(nèi)面的焊接，達(dá)到最佳的接近位置。并且該產(chǎn)品能夠高密度布局，容易回避其與軸和工件之間的干擾，顯示出其優(yōu)良的避障功能。

　　- 那智不二越PrestoMR20

　　早在2007年底，那智不二越便開發(fā)出七自由度的機(jī)器人“PrestoMR20”。通過采用七軸設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人能夠像模仿人類手臂那樣執(zhí)行更加復(fù)雜的工作流程，在狹窄的工作區(qū)域運(yùn)動(dòng)。另外，機(jī)器人前端部分（手腕）的扭矩增加到了原來傳統(tǒng)六軸機(jī)器人的約兩倍左右，標(biāo)準(zhǔn)配置的扭矩為20千克，通過設(shè)定動(dòng)作范圍，最大可搬運(yùn)30千克的物品，工作范圍達(dá)到1260毫米，重復(fù)定位精度為0.1毫米。通過采用七軸結(jié)構(gòu)，MR20在機(jī)床上取放工件時(shí)可從機(jī)床側(cè)面進(jìn)行作業(yè)。這樣一來，就提高了事前準(zhǔn)備和維護(hù)等作業(yè)效率。機(jī)床間的空間能夠縮小至傳統(tǒng)六軸機(jī)器人的一半以下。

　除此之外，那智不二越還發(fā)布了MR35（負(fù)載為35千克）、MR50（負(fù)載為50千克）兩款可在狹小空間和有障礙物場所的應(yīng)用場合使用的工業(yè)機(jī)器人。

　　- OTC七軸工業(yè)機(jī)器人

　　日本DAIHEN集團(tuán)歐地希推出了最新的七軸機(jī)器人（FD-B4S、FD-B4LS、FD-V6S、FD-V6LS、FD-V20S）。由于有第七軸的回轉(zhuǎn)，它們可以實(shí)現(xiàn)像人的手腕一樣的扭轉(zhuǎn)動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)一周以上的焊接；另外，七軸機(jī)器人（FD-B4S、FD-B4LS）將焊接電纜內(nèi)藏于機(jī)器人本體，因此在示教作業(yè)時(shí)無需在意機(jī)器人與焊接夾具及工件間的干涉，動(dòng)作非常順暢，焊接姿態(tài)自由度也得到了提高，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)器人因與工件或焊接夾具的干涉而造成無法進(jìn)入焊接的缺憾。

　　- Rethink Robotics的Baxter和Sawyer

　　Rethink Robotics是協(xié)作機(jī)器人的先驅(qū)，其中，最先開發(fā)的Baxter雙臂機(jī)器人，兩個(gè)手臂均擁有七個(gè)自由度，單臂最大工作范圍為1210毫米，Baxter可同時(shí)處理不同的兩項(xiàng)任務(wù)以增加適用性，或者實(shí)時(shí)處理同一任務(wù)以實(shí)現(xiàn)輸出最大化。

　　去年推出的Sawyer則是單臂七軸機(jī)器人，其柔性關(guān)節(jié)采用了相同的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，但其關(guān)節(jié)所采用的驅(qū)動(dòng)器被重新設(shè)計(jì)，使其更小巧。由于采用了七軸的設(shè)計(jì)，并且工作范圍擴(kuò)展至100毫米，因此能完成負(fù)載更大的工作任務(wù)，載荷可達(dá)到4千克，比Baxter機(jī)器人2.2千克的有效載荷大了不少。

　　- 雅馬哈七軸機(jī)器人YA系列

　　2015年，雅馬哈推出了“YA-U5F”、“YA-U10F”、“YA-U20F”3款七軸機(jī)器人，這些機(jī)器人均通過新型控制器 “YA-C100”進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。

　　7軸機(jī)器人帶有相當(dāng)于人類肘部的E軸，因此可自如完成彎曲、扭轉(zhuǎn)、伸展等動(dòng)作。即使在6軸以下機(jī)器人難以實(shí)施作業(yè)的狹窄間隙，也可順利完成作業(yè)及設(shè)置。另外還可實(shí)現(xiàn)低半蹲姿勢以及繞到裝置背部的動(dòng)作。采用中空構(gòu)造的致動(dòng)器，將裝置電纜和空氣軟管內(nèi)置于機(jī)械臂內(nèi)，不會(huì)干擾到周邊的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)緊湊型生產(chǎn)線。

　　此外，臺(tái)灣財(cái)團(tuán)法人精密機(jī)械研究發(fā)展中心也已研發(fā)出雙臂七軸機(jī)器人原型，期能助臺(tái)灣業(yè)者打造3C電子制造的生產(chǎn)利器，并縮小國內(nèi)外技術(shù)差距。

　　國產(chǎn)七軸機(jī)器人來了

　　能否實(shí)現(xiàn)彎道超車？

　　中國七軸工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代初，當(dāng)時(shí)項(xiàng)目的領(lǐng)軍人物正是我國已故的著名機(jī)器人技術(shù)專家、中國工程院院士張啟先，張啟先院士的主要貢獻(xiàn)之一便是完成了七自由度冗余機(jī)器人樣機(jī)的研制。

　　上世紀(jì)80年代末，由于研制難度及其之大，國際上研制出七自由度冗余機(jī)器人樣機(jī)的國家寥寥無幾。而張啟先院士率領(lǐng)課題組經(jīng)過幾年的艱苦拼搏，在1993年年底完成了首臺(tái)七自由度冗余機(jī)器人樣機(jī)的研制，并一次通過“863”課題驗(yàn)收和部級(jí)鑒定。

一種典型的冗余手臂

　　盡管我國在冗余自由度機(jī)器人方面取得一定成果，但主要停留在學(xué)術(shù)論文、科研報(bào)告和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的階段，并沒有實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)品化發(fā)展，這無疑制約了我國機(jī)器人產(chǎn)品向高端產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)的步伐。

　　作為國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的龍頭企業(yè)，新松率先在2015年工博會(huì)上發(fā)布了首款國產(chǎn)七軸工業(yè)機(jī)器人，其自身重量為29千克，負(fù)載為5千克，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.02毫米，工作半徑可達(dá)800毫米。它具備快速配置、牽引示教、視覺引導(dǎo)、碰撞檢測等功能，特別適用于布局緊湊、精準(zhǔn)度高的柔性化生產(chǎn)線，滿足精密裝配、產(chǎn)品包裝、打磨、檢測、機(jī)床上下料等工業(yè)操作需要。

　　目前，我國絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人企業(yè)還尚未發(fā)布七軸工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，其中有一部分表示正在研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，會(huì)在年內(nèi)有相關(guān)產(chǎn)品問世，而另有一些企業(yè)則表示對(duì)七軸工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品有關(guān)注，但尚未計(jì)劃設(shè)計(jì)研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。

　　我國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在七軸工業(yè)機(jī)器人的理論研究有了很大進(jìn)步，而商業(yè)化產(chǎn)品方面仍與國外有較大差距。究其原因，主要有以下兩個(gè)方面：

　　一是自主創(chuàng)新能力弱。缺乏核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性成果和創(chuàng)新理念，我國工業(yè)機(jī)器人總體技術(shù)與國外先進(jìn)水平相比，差距在十年以上。

　　二是企業(yè)盈利能力較低，研發(fā)資金短缺。核心零部件技術(shù)的缺失導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本高企，加之外資廠商紛紛降價(jià)，2015年70%以上企業(yè)的本體業(yè)務(wù)處于虧損狀態(tài)。

　　據(jù)專家講，我國工業(yè)機(jī)器人總體技術(shù)與國外先進(jìn)水平相比，差距在十年以上。國產(chǎn)七軸工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)，表明我們?cè)诠I(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)正在加速，但是我們應(yīng)該有清醒的認(rèn)識(shí)，差距真實(shí)存在，想要彎道超車，我們需要盡快攻克核心技術(shù)難關(guān)，同時(shí)也要重視人工智能、感知、識(shí)別、驅(qū)動(dòng)和控制等下一代技術(shù)的研發(fā)。

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