“轻型臂WEE”引领中国协作机器人新纪元

◎文/凌 莉

“轻型臂WEE”引领中国协作机器人新纪元

◎文/凌 莉

跟跑了数十年的中国机器人产业，近来涌现出了一些令人欣喜的新变化。

不久前亮相国内多个展会、由我国自主研发的“轻型臂WEE”，成功吸引众多观众和行业专家驻足。这是国际机器人领域继KUKA、UR、Rethink之后，国内第一台具有人机共存机制的新型轻型双臂机器人，同时也是世界上首创的高带宽、轻型、节能工业机器人。

它的出现，或将预示和引领我国人机协作机器人新纪元的到来。

1954年设计、1962年投入使用，第一代机器人诞生至今，已过去半个多世纪。尽管2013年以来中国已成为应用机器人最多的国家。但令人遗憾的是，全球主要机器人厂商中，始终不见中国企业的身影。

“轻型臂WEE”的登场，激发了国人对我国机器人产业新的憧憬。

“惊艳亮相”国内各大展会

“由于忙着准备参展，我们几乎几个晚上都没能好好合眼。”回忆起此前携“轻型臂WEE”赶赴各大展会参展的经历，研究组成员们依旧难掩当初的兴奋之情。

2015年底，由北京大学工学院先进智能机械系统及应用联合实验室、北京大学高精尖中心研制的人机协作机器人“WEE”先后在上海工博会、深圳高交会、北京世界机器人博览会上参展亮相，表现抢眼。

据了解，这款轻型臂不仅拥有独立自主知识产权，而且还达到了国际先进水平。它由镜面对称的双臂和躯干组成。每一条手臂有7个关节，也可以使用单臂系统进行操作。与现有的各国工业机器人不同的是，“轻型臂WEE”采用了全方位动态补偿的控制方案，并融入了力控制模式、力保护模式和视觉跟踪模式。这使其可以以很高的精度跟踪复杂的轨迹（例如直角），完成复杂的接触操作，同时与人类安全地协同工作，并自动识别和跟踪目标。

北京大学工学院先进智能机械系统及应用联合实验室主任、国家“千人计划”特聘专家刘立教授表示，“轻型臂WEE”作为新一代通用机器人，原则上可以替代所有传统机器人的操作，在医疗、工业、服务和家庭等诸多领域广泛应用。

另据该产品研发团队的梁文渊博士介绍，目前人机协作机器人代表了世界机器人发展新的主流方向，也是国内机器人企业能否赢得世界机器人舞台的关键技术。“轻型臂WEE”是国内第一台具有人机共存机制的新型轻型双臂机器人。而且其负载自重比、核心控制技术和策略等，均领先于国际同类产品或处于国际领先水平。它是真正意义上的国内乃至国际上第一台高带宽、轻型、节能工业机器人。

“内在”软实力铸就出色“外在”硬实力

一台双臂机器人用灵巧双手折纸飞机的画面，日前通过媒体被广泛传播。这个在各大展会上极具人气的“主人公”就是ABB的工业机器人YuMi。目前，ABB、安川、库卡、发那科四大国际机器人巨头纷纷在人机协作机器人领域抢滩布点。

令人欣慰的是，在这一前沿领域如今也出现了中国的身影。

据介绍，与同类产品比较，“轻型臂WEE”的创新体系主要包含以下内涵：

——高负载自重比和创新结构设计。根据同类产品（包括KUKA、ABB、UR等知名机器人公司产品）目前国际上公开的数据，“轻型臂WEE”具有世界上最高的负载自重比，可以达到1:2以上。这有利于提升机器人的能源利用效率、操作速度等，并减少占地空间。

此外，轻型臂具有紧凑的、独立的创新结构设计，不同于其他公司产品，是最接近于人体手臂的轻型臂。

——先进的全方位动态补偿控制方法。“轻型臂WEE”，可以实时在线辨识，动态地全方位地补偿机器人动力学。基于此控制方法，它可以在运动过程中实现高动态精度。

——完整的力控制策略运用。“轻型臂WEE”采用了力控制策略，可以实现多种力控制模式，而目前的工业机器人往往不具备力控制方法。通过采用完整的力控制策略，“轻型臂WEE”除了在自由空间运动能够实现高精度，同时在与人或者与工件接触模式下同样可以做到高柔顺性。

——先进的智能人机界面。“轻型臂WEE”具有更简单、更智能的操作方式，使用者通过简单的手动示教即可完成机器人功能实现。这不仅能提升工厂效率，还能在给人类带来方便的同时，让机器人完成更复杂、更精确的任务。

这些“内在”的软实力，铸就了“轻型臂WEE”出色的“外在”硬实力：

——与目前市场上的工业机械臂相比，对于相同的负载能力，“轻型臂WEE”自重约为当代工业臂的10%-30%，这是世界机器人轻型化之路上的一个重要进步。

——高静态和动态精度，其静态精度可以实现重复定位0.05mm，动态精度可以达到0.1mm，均属于国际领先水平，因此它更能适应高精密组装、手术等对精度要求高的工作。

——它的末端可通过编程以呈现用户规定的刚度；可根据末端点力/力矩信息反馈，纠正接触操作时的位置误差；另外，“轻型臂WEE”末端可在平面滑动，末端点与平面的作用力可由用户指定。这样一来“轻型臂WEE”将具备更高的灵巧度，并为人机协作创造了空间。

——视觉相机可按用户需要安装在不同的位置，实现轻型臂视觉伺服控制。视觉伺服控制是以实现对机器人的控制为目的而进行图像的自动获取与分析，将引导机器人适应柔性制造，使生产线更容易适应产品的变化。

——与人在同一工作环境实现人机协调操作；与工业机械臂相比，可安装在在狭小空间。占地空间小，对于中小企业降低应用成本事实上具有非常重要的意义。

引领人机协作机器人应用新潮流

除了技术上的突破，“轻型臂WEE”的横空出世，对我国机器人产业而言，还具有战略层面的意义——引领人机协作机器人潮流，并为之提供技术支撑。

“机器换人”重塑中国制造，曾一度成为许多人的共识。一些省市还专门出台了行动计划，如广东东莞市印发的《推进企业“机器换人”行动计划（2014-2016）》。2015年这里还建成了我国首家“无人工厂”。但随着时间的推移，人们渐渐认识到单纯的“机器换人”尚有诸多局限。

例如，富士康曾宣称要在2014年底完成“百万机器人”计划，然而至今其机器人使用数量也仅在十万左右，距当初拟定的目标相差巨大。一个重要的原因，就是冰冷的机器人对3C产业中复杂的零配件适应性不强，一旦出现次品，整条机器人生产线都将被迫停车并需要技术工人进行问题查找和参数调整，机器人反而不如传统产业工人灵活。

“这正是由于机器人缺乏与工人互动、协作的必要手段造成的。”刘立说。

按照国际标准化组织的定义，“人机协作”简单来讲，就是机器人从事精度和重复高性高的作业流程，工人在其辅助下进行创意性工作。

据刘立教授介绍，协作机器人与发展许久的工业机器人相比，拥有诸多比较优势，如轻巧、安全、性价比高、灵活性高、友善的操作接口，和人机协作等特色。

首先，轻巧的协作机器人，对于空间的需求也大幅降低，可为企业减少许多安装和厂房成本。

其次，它的性价比高，成本回收时间更短。

再者，在安全性方面，过去工业机器人工作场所噪音较大，并且需要用围栏隔离，每年都会有工人因为机器人运行误伤的情况。而“人机协作”机器人功耗低，不易对人产生伤害，可以和人一起完成一些轻量化的工作。

另外，工业机器人长期以来主要运用在汽车产业，一般都是体型大、移动范围大、重型的机器人，而新兴的消费级电子行业，工序轻量化、小型化、精细化。这对机器人的柔性提出了新的要求，协作机器人的诞生正好适应了这种需求。

刘立补充说，“还有特别值得一提的一点是，目前完成或者正在进行自动化生产线更新的，主要是一些有实力的大企业，‘机器换人’投资巨大，中小企业往往只能望洋兴叹。协作机器人的出现，为原本止步于自动化生产的中小型企业创造了新的机遇。”

如今，经过几十年的发展，工业机器人已逐渐由粗放式发展走向智能化阶段。市场人士认为，在智能化大旗下，工业机器人发展进入2.0时代，人机协作、人机共融成为新主题，协作机器人将抢占先机，2016年有望成为协作机器人元年。

“轻型臂WEE”在探索符合中国国情的“人机协作”之路上可能起到的历史作用，我们将拭目以待。

凭借原创性研究实现“弯道超车”

回顾历史，中国工业机器人经过了“七五”、“八五”、“九五” 攻关和国家“863”计划支持，经历了理论研究、样机研发、示范应用和初步产业化四个阶段。但在总体技术水平上，我国在工业机器人研发方面始终是跟跑者。

如果几年之后，我们不想再听到那句陈词滥调——中国是机器人大国，但不是机器人强国，“我们就必须另辟蹊径，选择新的技术路径。”刘立说。他强调，唯有做原创性的研究，跳出跨国公司的技术垄断，中国才有可能后来居上实现“弯道超车”。

据了解，“轻型臂WEE”核心技术都属于原创技术。它的控制理念、技术策略甚至优于西方。

在刘立带领团队打造第二代机器人的过程中，他们始终追寻着三个明确的指标或说特征，即轻型化、高带宽和高效节能。

第一，要做轻型机器人。刘立介绍说，目前传统工业机器人，为了保证其固有频率，使用都是铸钢或者铸铝的机座。这样带来的弊端，是机械臂的负载不够实用，相当于一个巨人却拿着一点点东西。他希望制造出负载自重比1∶2甚至1∶1的轻型臂，做世界第一。显然，他们阶段性目标已充分实现。

第二，解决带宽问题，提升机器人的反应速度。就控制领域而言，机器人反应快慢主要取决于带宽。比如说，如果有人给机器人实施一个外在干扰，比如插拔产生的一些误差，想要让机器人自己很快地校正过来，就需要有很高的带宽。

第三，节能。刘立表示，日本有一款叫阿西木的机器人，以同样的速度在单位时间内行走，其能耗是人的15倍，而行走机理上的弊端是导致其能耗过高的重要原因。他说，阿西木每一个关节上都有一个电机，这样一来耗能就会较高，如果机器人走斜坡时，主要依靠自身的重力“拽着”自己走下来，那么消耗的能量就会和人差不多，也就能大大节省能量。

从“轻型臂WEE”最新的进展来看，刘立教授在“理想照进现实”的路上，显然已经取得了实质性进展。

“瑞士ABB、日本安川、德国库卡和日本发那科四大机器人企业如今都已全面进入中国市场，意大利、美国、韩国的机器人及配套企业也已经布局中国主要地区。中国机器人产业已渐成被包围之势，出路只有自主创新，而且步伐必须要快，时不我待！”面对当前我国机器人产业总体形势，刘立教授心中不无焦虑。

马不停蹄继续“轻型臂WEE”产业化的逐梦之旅

刘立教授投身机器人领域，是从1984年在加拿大读博士时开始的。1986年，博士毕业之前，他参加完机器人国际会议，看到蓬勃的发展形势，内心非常激动，于是回到学校试着开设了第一门机器人课程。后来，这门课程在行业内广为人知。

作为“第一个吃螃蟹的人”，刘立也是首次将自适应控制理论应用到机器人身上的科学家。目前，世界公认的对此项研究进行阐述的首篇论文，就出自他手。1987年，他在加拿大麦克马斯特大学取得博士学位后，又进行了一段时间的博士后研究，随后加入了加拿大如今的MDA公司，并参与到国际空间站机器人系统早期的概念设计。他是这家企业第一个来自中国大陆的主设计师，而MDA则是世界机械臂研究制造领域的佼佼者，在行业内享有声誉。

在国外的20多年时间里，他还在医疗机器人等领域开展了一些卓有成效的研究。

正如老话所说，“科学无国界，但科学家有自己的祖国”。作为业内非常著名的科学家，刘立在国外的事业、生活应该说都很顺利。然而，在祖国的召唤下，他还是毅然地回到了国内，立志开创中国自己的机器人事业。

国内欣欣向荣的经济和科技发展形势，以及政府对科学研究的支持力度，也令他倍感欣慰。

当前，中国是世界上最大的机器人市场，并且还有很大的空间。只是，我国机器人产业创新弱、产业相对小、竞争能力差——力争在下一代机器人全面来临之前形成技术壁垒，占领产业制高点，刘立深知，我们的科学家还有很多的工作要做，而且形势紧迫。

千里之行，始于足下。逐步明确技术路径细节、构建核心团队、打造科研硬条件……回国以后，刘立的各项工作渐次展开。如今，随着“轻型臂WEE”的成功研发，他又马不停蹄地奔向了一段新的逐梦之旅，就是“轻型臂WEE”的产业化推广。

刘 立

博士，特聘教授

国家“千人计划”特聘专家

北京大学工学院先进智能机械系统及应用联合实验室主任

长期致力于空间机器人的研制，在机器人控制，高可信度仿真，系统设计、集成及测试等领域具有丰富的工程技术经验。作为美国和加拿大宇航局空间机器人顾问，曾先后担任哈勃维修机器人飞船控制系统和视觉跟踪系统主任设计师，加拿大国际空间站灵巧机械臂控制与仿真开发项目和空间操作项目的技术负责人，其开发的算法成为NASA和加拿大宇航局的标准飞行控制软件。同时，刘立博士也是哥达德宇航中心哈勃望远镜营救飞船机器人演示任务的领导者之一和IEEE机器人分会和控制分会资深成员，曾在IEEE及其他国际杂志和会议发表论文50篇。

梁文渊

博士

出生于1984年

福建上杭县人

现在北京大学工学院做博士后研究

本科毕业于中国科技大学，并于2012年在该校获得博士学位，2010年被公派至日本国立鹿儿岛大学做客座研究员，2012年回国，2013年进入现在的北京大学工学院。

主要研究领域包括：机器人技术、机器人控制、下一代通用机器人、家庭服务娱乐机器人、助力康复医疗机器人、仿人机器人、并联机构、传感器技术、机构运动学理论等。

他是“轻型臂WEE”项目承担和主要参与者，也曾参与“十一五”863服务机器人重点项目、“十一五”863探索导向项目，并取得多项原创成果，目前拥有5项专利。