前言：人机协作是协作机器人显著特点和优势，安全性则是人机协作的前提，易用性则是其迅速发展的必备条件。

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整理| Sunny

机器人大讲堂直播间 045期

近年来，协作机器人发展迅猛，成为机器人研究及研发的热点之一，主要得益于其易用性、灵活性、安全性等三个方面。与传统工业机器人相比，协作机器人体现了人机协作概念，使其具有一定自主及与人协作的能力。

协作机器人将人的智力、经验与机器人的速度、力量以及准确性相结合，突破了传统工业机器人工作区域，实现人机协作在同一工作区域，使其真正成为人类合作的伙伴。人机协作是协作机器人显著特点和优势，安全性则是人机协作的前提，易用性则是其迅速发展的必备条件。

虽然协作机器人的拖动示教功能特性使其易用性大大提高，但目前市场上的一些协作机器人产品，它们提供的图形界面只能完成一些简单的拣选/取放任务，仍在易用性上存在问题。

我们特邀艾利特机器人算法研发工程师王珂博士做客「机器人大讲堂直播间」，分享协作机器人安全易用性的全新探索。

本期分享要点如下

以下内容根据王珂博士直播分享实录整理

在国际标准化组织工业标准ISO10218中协作区域是指机器人和人类可以同时工作的区域，那么协作机器人是指能够在协作区域内与人直接交互协作的机器人。2005年，欧盟提出了SMEs（Smalland Medium Enterprises）项目计划，旨在通过机器人技术增强中小企业的劳动力水平，降低成本，提高竞争力，避免劳动力外包，将制造业和工作机会留在欧洲。

从中可以看出，中小企业具有小批量、多品种、个性化的产品制造需求，要求机器人更低成本、更安全、更易用，部署更灵活。因此，协作机器人应运而生。同传统工业机器人对比，协作机器人有着很多不同点：

国外常见的协作机器人类型：

总的来说，协作机器人产品具有三个特点：

集成部署成本较低

操作简单、更适应柔性化生产

协作机器人轻量化、占地小、结构紧凑，可安装在产线的任何位置，非常适合混线、小批次、定制化生产的需求。

安全性更高、满足人机协作的需求

协作机器人采用特殊机械设计以及限制运行速度、电机功率、关节力矩等安全措施，使其具备碰撞力最小化的功能，满足人机协作的需求。

提及协作机器人的安全性就不得不先考虑其安全标准，协作机器人的安全标准是在工业机器人的基础上发展而来的。

ISO10218为C级标准，由A级标准和B级标准演化而来，ISO10218-1为机器人本体设计与制造中的安全保证提供指导与规范， ISO 10218-2为机器人系统集成、安装、功能测试、编程、维护和修理等提供安全指导与规范。

协作机器人安全规范ISO/TS 15066是传统工业机器人标准的补充。主要解决危害判定、风险评估以及降低风险的措施等问题。我国的GB11291中5.10.1-5.10.6也定义了协作机器人的协同操作安全标准。具体来说，ISO/TS 15066定义了四种人机协同的操作：

前3种协作操作不允许机器人与人直接接触，传统工业机器人经改造后也能实现。功率和力限制是从更底层和根本上限制机器人对人的伤害程度，也是真正让协作机器人区别于传统工业机器人的更本质、更高级和更安全的协作方式。

机器人与人体碰撞的限制参数可由人类疼痛阈值计算，研究表明：人体各部位对压力造成的疼痛的耐受度不同，一般取平均值150N左右，但该结果局限性较大。

碰撞检测：动力学模型的建立

根据牛顿欧拉法进行动力学建模，考虑关节柔性、摩擦力、减速器等。

关节柔性模型：刚度系数为 K 的扭簧（可单独辨识）。

摩擦力模型：粘性库伦模型、改进Stribeck模型、 LuGre模型、Leuven模型等。

碰撞检测：动力学模型的辨识

通过采集关节位置和力矩数据，基于最小惯性参数集的动力学方程和最小二乘法，可计算出动力学模型参数。

需要注意的是在线辨识使用滤波器引入相位延迟的处理；辨识轨迹的设计与优化影响观测矩阵是否满秩以及辨识参数的误差。

碰撞检测功能展示

常见的碰撞检测功能实现依据模型不同对应的有几种方式，其特点也不尽相同：

艾利特机器人碰撞检测功能是基于关节电流-力矩模型的，其具有以下优势：

1）基于更精准的动力学模型，包括优化的关节摩擦模型、关节柔性模型、温度模型、负载参数模型等；可选择预设动力学模型参数、在线模型辨识两种模式。

2）碰撞检测灵敏度可调节。

3）除低成本解决方案外，后续还会推出带有力矩传感器的版本。

除此之外，还具有多方案安全参数配置与监测功能，其采用了多项原创专利技术提升安全性，设计符合ISO 10218-1、 ISO 13849 cat3 PLd、TS/ISO 15066标准。

硬件、软件算法均双通道冗余设计，多级别安全配置方案可灵活切换，包含18项安全功能，其中运动功能13项：工具位姿、工具速度、工具力、肘部位置、肘部速度、肘部力、关节位置、关节速度、关节转矩、停止时间、停止距离、动量、功率。

IO和状态功能5项：紧急停止（输入、输出）、安全停止（输入、复位输入）、缩减模式（输入、正逻辑输出、负逻辑输出）、运动状态（正逻辑输出、负逻辑输出）、回零（输出）。

协作机器人的易用性相对传统工业机器人也有了很大的提升，主要体现在五个方面：

示教器与图形化用户交互界面

示教器样式多种多样：传统按钮式、全触屏式、无线平板式、手机操控等。用户交互界面的设计更加注重用户体验以及交互性。

编程方式的改变

传统工业机器人采用代码式编程，G代码或类似C语言，用户编程门槛较高，需要进行专门的课时培训。协作机器人编程趋势为图形化编程方式，像流程图式、树形图式等，更加直观且与用户交互性更强，简单易学、灵活易用，是更通用的脚本语言编程。

拖动示教与轨迹复现功能协作机器人具有更灵敏、更顺滑的拖动示教功能：轻按末端拖动按钮，即可拖动示教点位，进行交互式编程，更便捷；拖动示教及轨迹复现功能：可记录机械臂的运动轨迹，并以原速度或者可调节的速度进行轨迹复现；约束拖动功能：可拖动机器人延着用户指定的方向运动。

自动化部署、自动轨迹规划与避障

随着机器人应用领域的不断扩展，人们需要更加强大、简便和快速的机器人自动化部署方式。自动轨迹规划与避障成为自动化部署的关键技术之一。

自动轨迹规划算法核心框架：

案例：拆零和拣选两种模式自循环

首先将混合箱中的药盒分类到4个药箱，然后系统随机生成若干订单，机械臂按照订单拣选药品；真实环境模型重建并通过视觉算法更新，实时自动轨迹规划生成机械臂抓取药盒的无碰撞运动轨迹；多拍照位置，每个拍照位置使用不同的ROI和过滤盒，提高识别准确度和抓取可靠性；直接计算抓取姿态的运动学逆解，预览机械臂抓取时的实际位形；单次轨迹规划时间约100至200ms。

部署灵活、扩展性强部署简单灵活，可部署于各个行业生产线上的任何位置，甚至可以部署在AGV上进行协同作业；通用末端IO接口，实现夹爪等工具的即插即用。

目前协作机器人软件开放性不足，终端用户的应用创新空间有限，机器人厂商针对各类应用场景开发种类繁多的工艺包，终端用户针对新应用的研发、时间成本高的问题。

所以目前要推广协作机器人软件平台化，期望机器人厂商可以专注于机器人技术的研发，用户、集成商针对细分行业的应用场景开拓更为多样化的应用，可以助力用户、集成商基于软件平台快速开发部署解决方案，增强软件的开放性，构建机器人软件生态圈以及增强扩展性，面向未来，无缝对接物联网、云计算、大数据分析等前沿技术。

针对软件的二次开发与第三方插件系统方面，艾利特CS系列推出了第三方插件系统，该系统具有的优势有：

1）模块化的软件平台与框架

2）具有高开放性、强扩展性的第三方插件系统，方便各个行业的客户或集成商 进行二次开发，编写自己的软件和应用（如焊接、物流等）

3）助力用户加快开发和部署解决方案的周期

4）针对各垂直行业和应用场景

5）增加集成商方案产品的附加值

6）绑定客户并提供增值服务，形成更健康的销售模式和商业模式。

该系统使用python作为脚本编程语言，Python脚本语言作为一种通用的脚本语言，相对于传统的工业脚本语言来说更具开放性，覆盖范围更广，让使用者不受限制。通用的Python脚本语言使机器人编程更具扩展性、灵活性更强。

案例分析1

视觉识别分拣螺钉展示，可以作为第三方插件进行移植：

案例分析2

视觉识别拆码垛展示：

案例分析3

协作机器人行业和工艺应用：

对于未来的协作机器人，艾利特CS系列并不是终极形态，协作机器人本质安全性仍需努力，需要与多种感知能力相结合进行冗余设计，人机高效、便捷交互仍有提升的空间，协作机器人更多的应用场景有待挖掘，人机协作共融技术智能化、云端化。

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