1.3.2 协作机器人兴起的原因

1.生产模式的变革

2000年以后，机器人的使用方式迫切需要转型。发达国家的机器人使用集中在汽车行业，但也很少再有大规模的新建工厂；另一方面，其规模化的工业生产从2000年后慢慢开始转移到人力成本低的国家。这些发达国家规模化的生产企业借助一些发展中国家的人口红利，逐渐地将工厂从本土转移，甚至本土低成本的工业消费品生产企业也都逐渐关闭，因为进口发展中国家的产品价格更为便宜。

以欧洲为例，规模化的工业生产转移之后，欧洲无法转移的中小企业非常多。中小企业是世界各经济体的重要组成部分。各经济体对中小企业的界定标准不尽相同，且随着经济的发展而动态变化，但中小企业在经济体中扮演的关键角色却不容置疑。在欧洲，95%以上的商业活动由中小企业完成，60%以上的雇员服务于中小企业。在美国，中小企业数量已占全部企业总数的99.9%，除了务农人员约有1.2亿工人，其中50%在中小企业工作。例如，食品行业在欧洲就是一个广泛存在的行业，它供应欧洲居民每天食用的奶酪、面包、蔬菜等，由于供应量和保质期的原因，其生产不可能转移到其他国家，必须要保留在本地。

机器人技术的发展日益成熟，智能系统的技术不断提升，为协作机器人的推广应用打下了基础。

任何一种新产品和新技术的推出，都是在当前产品的基础上迭代更新，推出更为完善的产品，机器人行业也是如此。随着新型传动和驱动机构及智能与软物质材料的出现，可以预计机器人将逐步向柔性化、软性化、可变化、微型化和控制智能化方向发展，使开发新型功能机器人成为可能。

2.对机器人灵活可靠的需求

全国范围内企业依赖于劳动密集型的成本劳动红利逐渐消失，企业亟须用机器人替代人工。此外，产品模块化、定制化生产需要机器人供应商提供更灵活、周期更短、量产更快的生产设计方案。虽然传统机器人发展了60年，但越来越突出的瓶颈就是交互性不够，体现在易用性、灵活性和安全性这三个方面。

要增强机器人和人的互动性，还需要把机器人当成工具使用，这就要求机器人的使用更加灵活。机器人本体重量必须要轻，在需要的场合，工人可以任意将其搬动和简单安装，使机器人可以尽快投入使用。

3.对机器人拖动示教的需求

协作机器人的拖动示教一般有两种策略：一种是基于零力控制的拖动示教，另外一种是基于力矩传感器的拖动示教。

基于零力控制的拖动示教分为基于位置控制的零力控制拖动示教和基于力矩控制的零力控制拖动示教。基于位置控制的零力控制系统是一个位置控制系统，无法通过直接操作进行示教，必须借助力传感器感受示教力；而基于力矩控制的零力控制系统是一个力矩控制系统，其关节位置、转速不进行控制，便于示教操作，但系统稳定性不如前者。

基于力矩传感器的拖动示教需要利用协作机器人的动力学模型，总体的算法是阻抗/导纳控制；六维力传感器安装在机器人末端，由传感器测量出6个力/力矩，结合雅可比矩阵，控制器可以实时算出机器人被拖动时所需要的力矩，然后把该力矩提供给电动机，使机器人能够很好地辅助操作人员进行拖动。但实际应用中也有难点，主要是较好的力传感器价格昂贵，所以工业中更倾向于用电流环进行拖动示教。

拖动示教功能可以使开发者快速利用机器人完成任务需要，并且拖动示教也是实现操作者和其他人员互动的方式，在各个领域都得到了广泛应用，不受地点和空间的限制，完全可以满足教学、科研和工作等需要。

4.机器人碰撞检测的需求

机器人和人交互，必须要保证人的安全，碰撞检测是协作机器人务必要实现的功能。其实现的方式包括借助力感知皮肤、关节力矩传感器、电流估算力反馈模型等。在实现的方式上，务必要体现碰撞力的设置，以满足不同环境下力的灵活设置。

协作机器人相比于传统机器人，安全是其显著特征。协作机器人都会提供碰撞检测等安全防护功能，还可以根据实际情况进行防护等级的调整，充分满足不同操作人员、不同任务场景对其不同的应用要求。协作机器人和人交互作业如图1-19所示。

图1-19 协作机器人和人交互作业