协作机器人的研究现状与技术发展分析

王家鹏

摘 要：随着智能技术的快速发展，协作机器人被广泛应用在各领域生产经营建设过程中，为从根本上提升安全效益、经济效益及服务效益奠定了坚实的技术基础。本文就基于此，以协作机器人研究现状为切入点，就如何加快协作机器人技术发展进程进行相关概述，旨在充分发挥出协作机器人的积极作用。

关键词：协作机器人;研究现状;技术发展

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0024-02

0 引言

就目前来看，协作机器人是当前工业机器人研究重点课题，协作机器人的智能化、互动性功能也将会成为提升工业生产建设管理水平的关键所在。据相关研究人员分析，在二十一世纪，协作机器人市场将会呈现出迅猛发展趋势。同时，协作机器人将依据不同工作需求及运行环境特征，进入更具协同性的工作状态。与其它国家相比，我国在协作机器人方面的研究起步稍晚，实践经验不足，需基于各领域对协作机器人提出的要求，对协作机器人功能性及安全性等方面进行完善及优化，充分发挥出协作机器人在提升各领域综合效益期间的积极作用。

1 协作机器人理论研究

1.1 协作机器人概念

从广义上来讲，协作机器人主要就是与人类共同工作空间具有近距离互动机器人。现阶段部分工业类机器人均会受到自动作业设计及导引下作业设计的局限，与人类共同工作的距离较远，相关安全防护功能较为缺失[1]。而协作机器人就是将人类共同工作需求转换为机器人自身应用机能，确保机器人能够在提升生产效益及经济效益的过程中发挥出重要的作用。

1.2 协作机器人发展历程

协作机器人概念首次提出于二十世纪九十年代提出，当时通用汽车基金会为实现生产项目的高质高效生产目标，试图从根本上提升当时生产机器人的应用安全性，确保机器人能够与员工实现良好的协同合作。第一台协作机器人的研发工作由麻省理工学院接手，当时获得了国家及有关部门的高度关注。经过年研究，初代协作机器人在美国航天局首次公开。随着协作机器人研究工作的不断深入，德国联邦科教部又试图将协作机器人朝向智能化转行，为增强协同机器人研发工作的经济效益及服务效益奠定了坚实技术发展。

2006年，日本一家电机公司将所研发出的轻型机械臂引入到欧洲市场，与主流协作机器人的功能及结构无明显差别，但就协作机器人的根本研发目标而言，依然存在一些差距[2]。具体而言，轻型机械臂仅能够实现多机器人协作工作目标，无法从根本上保障与人类处于共同工作空间的安全性。

2008年，第一台真正意义上的协作机器人被首次研发出来，彻底打开了协作机器人的市场大门。与协作机器人相关的各类企业数量增多，建设规模不断扩大，使协作机器人各项功能及实际应用期间的综合效益得到了极大程度的提升。为更好规范协作机器人市场，国家及有关部门针对协作机器人发展需求及各领域生产建设经营特征，颁布了更加健全的协作机器人生产及研发规定，从根本上提升了协作机器人研发及技术发展期间的有序性及稳定性。

2 多机器人协同及合作

现阶段，协作机器人研究重点均放置在多机器人协调问题方面。早在二十世纪八十年代，为从根本上解决协作机器人在合作的情况下无法完成某一共工作，如协同搬运、协同荷载等，其无法对系统及相关合作合作机制，存在运动受限或运行体系链条出现断裂的情况[3]。同时，因协作机器人多以操作物体期间的闭链系统，会存在运行受限、冗余度控制问题等，需相关工作人员建立起系统组织及合作机制控制体系。同时，通过在控制器内输入相关指令，确保对各协作机器人运行情况的协同控制。

在协作机器人多机器人系统研发过程中，还应解决多机器人合作及组织机器人完成某项任务等问题，通过明确各项机制及运行任务，确保机器人与机器人之间保持一种更具协同性的运行关系。在实际设计过程中，多机器人合作不仅是将一定数量的机器人在同一工作空间启动，更是对協作机器人的控制，确保相关控制系统能够及时发现与解决协作机器人在实际运行期间存在的问题。同时，支撑协作机器人实现同步在线运算，更好控制协作机器人自身动作及运行频率，切实提升协作机器人工作期间期间的质量及效率。在协作机器人技术发展过程中，相关工组人员还应依据运行环境及任务的具体需求，对协作机器人系统内组织及控制，以便更好实现协作机器人在多机器人协同合作上的目标。

3 协作机器人核心零部件研究

在协作机器人核心零部件设计及研发过程中，需注重轻量化设计原则，要求协作机器人核心零部件具有高度的集成化，要求在传统机器人零部件生产技术的基础上对其结构及具体结构性能进行不断完善及优化。

在协作机器人中，电机可直接影响到机器人实际运行质量及效率，应在传统交流伺服系统基础上，对电机的可选范围进行不断完善。同时，结合各领域实际生产建设需求，对单一的科尔摩根产品功能及各项性能进行进一步优化。

注重对协作机器人安全控制装置的设计及研发，虽然现阶段协作机器人市场安全控制装置的种类及数量较多，但实际安装成本更大，类似于谐波减速装置及伺服驱动昂装置难以更好满足协作机器人运行需求[4]。因此为更好实现协作机器人大规模应用及研发目标，相关工作人员应对协作机器人安全控制器进行科学规范设计，确保协作机器人后期运行质量及效率能够满足各领域生产建设需求。

4 协作机器人研究现状

2015年，我国首次将协作机器人研发与技术发展工作列为重要研究方向，通过全方位动态补偿控制方式、力控制及策略及完善的人机交互界面等，对协作机器人的各项功能及运行特征进行不断完善及优化。同时，与传统机器人相比，协作机器人融合了更加先进的高带宽、节能型技术。相较于其它国家协作机器人的研究及技术发展而言，我国协作机器人成品化及市场化起步较晚，实际积累经验不足，导致协作机器人在各领域生产经营管理方面的应用范围较为狭窄。同时，为根本上增强协作机器人经济适用性，相关研究部门又将研究重点放置控制协作机器人投入成本，提升协作机器人生产期间的安全性及灵活性等方面，切实降低协作机器人运行故障风险，使其被更好的应用在各生产环节中。

5 协作机器人研究要点

5.1 群体体系

在协作机器人研究过程中，相关工作人员应将实际研究对象放置在协作机器人的群体研究体系上，通过划分协作机器人各项功能及结构特征，为协作机器人的完善及优化提供重要理论依据[5]。在协作机器人群体构建过程中，其结构类型多为分布式，同时对智能体的相对控制为平等。同时，在协作机器人群体体系结构的设计过程中，还会存在同构及异构问题。具体来说，同构群体模式下的协作机器人主要功能及机能基本相同，而异构群体模式虽然具有一定的普遍性，但实际运行期间所面临的风险因素更多，需依照实际运行任务及协作机器人个体运行需求判断异构主要分布特征。

5.2 通信体系

为更好实现机器人与人类共处于同一工作空间的目标，应确保协作机器人能够实现系统动态运行目标。当前大部分协作机器人均没有实现无通信合作目标，需借助直接型及广播型通信体系，更好制定出解决协作机器人合作问题的解决方案[6]。随着计算机技术的快速发展，分布式信息处理系统被防范的应用在实际生产建设过程中，而协作机器人作为分布式控制系统中的重要组成部分，其在进行数据处理及信息共享的过程中也需依赖通信系统获取信息，在协作机器人数量增多的情况下，其自身运行负担将会明显增大，因此在不断完善及优化协作机器人过程中，需要确保协作机器人能够适应通信机制，又要确保协作机器人能够保持对周边环境的感知及理解能力，确保协作机器人能够与人类实现良好的信息交流及合作。

5.3 感知及学习

在协作机器人实际运行期间，感知及学习也是机器人与人类的交互动作形式。其中，合作机器人均具有各自传感系统，对传感系统的高效利用可直接反应出协作机器人运行水平。因此需相关工作人员通过对协作机器人参数数值的的控制，从根本上提升协作机器人实际工作期间的专业性及灵活行，确保协作机器人能够更好满足各领域生产建设要求。

5.4 建模及规划

针对与人类共处同一工作空间的行为、状态及意图需求，充分发挥出协作机器人在促进机器人与其它智能体协同合作的积极作用。在智能体使用建模能力的过程中，对通讯系统的依赖程度也会从根本上降低。同时，针对协作机器人合作动态组织性及环境变化性的功能需求，针对协作机器人不同协作对象，明确机器人自身动态自组织及环境变化重组特征[7]。借助全局控制理念，对协作机器人的智能动作级别进行全局划分，确保协作机器人系统及各项功能能够更好满足相关专业领域的生产建设需求。

5.5 安全功能

在协作机器人研发及技术设计过程中，应注重提升机器人自身的安全机能，确保协作机器人能够自行解决死锁及避碰等问题。具体而言，在协作机器人实际运行期间，会出现各项资源冲突问题，如没有相应的解决措施，就极有可能出现运行停止的现象。因此为确保协作机器人稳定有序运行，相关工作人员应从机械人内部通信及传感设备的优化入手，对机器人自检功能进行不断完善。

5.6 合作功能

为充分发挥出协作机器人实际运行期间的积极作用，需相关研究部门应从的实现自发地合作目标的方面入手。现阶段多机器人及人机协同合同势必要开展多地自主研发[8]。现阶段协作机器人生产研发期间的合作工作分为纯社会行为及协作行为，其中，协作行为是智能协作交互后的现象，属于更距主观性的合作行为，从而寻求多方经济利益最大化目标。因此在协作机器人研发及技术发展过程中，通过建立起更加完善的多部门协同关系，能够更好提升实际生产建设效率，从根本上推动协作机器人市场可持续发展进程。

6 结语

总而言之，协作机器人的研究及技术发展工作依然任重道远，在协作机器人实际研究推广的程中，生产成本控制难度大、核心元器件无法实现自主研发等问题还在困扰着相关研究部门，需加强协作机器人研究及技术发展管理力度，结合各领域实际生产建设需求，对协作机器人进行不断完善及优化。同时，积极引进国外先进技术及先进理念，注重协作机器人人才培养，为协作机器人的研究及技术发展工作提供更加充分的人力及物力资源。

参考文献

[1] 贺军.变负载双臂机器人阻抗自适应控制系统研究[D].中国科学技术大学，2016.

[2] 刘洋，孙恺.协作机器人的研究现状与与技术发展分析[J].北方工业大学学报，2017，29（02）：76-85.

[3] 刘鑫.基于无线自组网的多移动机器人协作控制研究[D].江南大学，2014.

[4] 许玉虎.基于虚拟样机技术的协作机器人运动学与动力学研究[D].山东农业大学，2017.

[5] 张爽.创客教育视域下中小学机器人教学活动设计研究[D].江南大学，2017.

[6] 林云漢.智能机器人“人—机—环境”交互及系统研究[D].武汉科技大学，2017.

[7] 胡吉耀.危险区域搜救机器人及其人机交互系统研究[D].山东大学，2014.

[8] 余锋.基于视觉的工业机器人协作装配方法研究[D].华南理工大学，2012.