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七軸工業機器人 VS 六軸工業機器人,強在哪?

發表時間::2022-09-01

近年來,跨國機器人巨頭們紛紛推出七軸工業機器人,以搶占高端新市場,這引發了我們對于七軸工業機器人的深入思考,它具有哪些獨特的技術優勢,存在哪些研發難點,近年來國際上發布了哪些工業七軸機器人產品,我國七軸工業機器人的研發及產業化又進入了哪一階段?


工業機器人到底應該有幾個軸?

  

目前,工業機器人已經被廣泛應用于各行各業,但我們也發現,工業機器人不僅形狀各異,其軸數也各不相同。所謂工業機器人的軸,可以用專業的名詞自由度來解釋,如果機器人具有三個自由度,那么它可以沿x,y,z軸自由的運動,但是它卻不能傾斜或者轉動。當機器人的軸數增加,對機器人而言,就是更高的靈活性。那么工業機器人應該有幾個軸才合理呢?

  

三軸機器人也被稱為直角坐標或者笛卡爾機器人,它的三個軸可以允許機器人沿三個軸的方向進行運動,這種機器人一般被用于簡單的搬運工作之中。



  

四軸機器人,可以沿著x,y,z軸進行轉動,與三軸機器人不同的是,它具有一個獨立運動的第四軸,一般來說scara機器人就可以被認為是四軸機器人。

  

五軸是許多工業機器人的配置,這些機器人可以通過x,y,z三個空間周進行轉動,同時可以依靠基座上的軸實現轉身的動作,以及手部可以靈活轉動的軸,增加了其靈活性。

  

六軸機器人可以穿過x,y,z軸,同時每個軸可以獨立轉動,與五軸機器人的最大區別就是,多了一個可以自由轉動的軸。六軸機器人的代表就是優傲機器人,通過機器人身上的藍色蓋子,你可以很清楚的計算出機器人的軸數。

  

七軸機器人,又稱為冗余機器人,相比六軸機器人額外的軸允許機器人躲避某些特定的目標,便于末端執行器到達特定的位置,可以更加靈活的適應某些特殊工作環境。

  

隨著軸數的增加,機器人的靈活性也隨之增長。但是,在目前的工業應用中,用得最多的是三軸、四軸和六軸的工業機器人,這是因為,在某些應用中,并不需要很高的靈活性,而三軸和四軸機器人具有更高的成本效益,并且三軸和四軸機器人在速度上也具有很大的優勢。

  

未來,在需要高靈活性的3C產業,七軸工業機器人將擁有用武之地,隨著其精度不斷增加,在不遠的將來,它將取代人工進行裝配手機等精密電子產品。


七軸工業機器人比六軸工業機器人強在哪?

  

從技術上來看,六軸工業機器人存在什么問題,七軸工業機器人又強在哪?

  

(1)改善運動學特性

  

在機器人的運動學問題中,三個問題使得機器人的運動受到非常大的限制。

  

第一是奇異構型。當機器人處于奇異構型時,它的末端執行器不能繞某個方向進行運動,或者施加力矩,因而奇異構型極大的影響了運動規劃。

  

六軸機器人第六軸和第四軸共線發生奇異

  

第二是關節位移超限。在真實工作情況下,機器人每個關節的運動的角度范圍是受到限制的,最理想的狀態是正負180度,但是很多關節是做不到的。另外,七軸機器人可以避免角速度運動過快,讓角速度分配得比較均勻。

  

新松七軸機器人各軸運動范圍及最大角速度

  

第三是工作環境中存在障礙。在工業環境下,很多場合存在各種環境障礙,傳統的六軸機器人無法只改變末端機構的姿態,而不改變末端機構的位置。

  

(2)改善動力學特性

  

對于七軸機器人而言,利用其冗余自由度不僅可以通過運動軌跡規劃達到良好的運動學特性,并且我們可以利用其結構實現最佳的動力學性能。

  

七軸機器人可實現關節力矩的再分配,這里涉及到機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關節承受的力有多大。對于傳 統的六軸機器人來說,其每個關節的力是一定的,它的分配可能很不合理。但是對于七軸機器人來說,我們可以通過控制算法調整各個關節的力矩,讓薄弱的環節承 受的力矩盡量小,是整個機器人的力矩分配比較均勻,更加合理。

  

(3) 容錯性

  

機器人在發生故障時,如果有一關節失效,傳統六軸機器人便無法繼續完成工作,而七軸機器人可以通過重新調整故障關節速度(運動學容錯)和故障關節力矩(動力學容錯)的再分配實現繼續正常工作。


國際巨頭們的七軸工業機器人產品

  

無論從產品角度,還是從應用角度,七軸工業機器人目前都還處于初步發展階段,但各大廠商紛紛在各大展覽會力推相關產品,可以想見對其未來的發展潛力還是十分看好的。


- 庫卡LBR iiwa

  

2014年11月,庫卡在中國國際工業博覽會機器人展上首次發布kuka第一款七自由度輕型靈敏機器人LBRiiwa。

  

LBRiiwa七軸機器人基于人類手臂進行設計,其結合集成的傳感器系統,使該輕型機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所有的軸內均配備高性能碰撞檢測功能、集成的關節力矩傳感器,以實現人機協作。

  

七軸的設計,使得KUKA的該款產品有較高的靈活度,可輕松地越過障礙物。LBRiiwa機器人的結構采用鋁制材料設計,其自身重量只有23.9千克。其負荷有兩種,分別為7千克和14千克,使其成為首款負荷超過10千克的輕型機器人的產品。


- ABB YuMi

  

2015年4月13日,abb在德國漢諾威工業博覽會上正式向市場推出全球首款真正實現人機協作的雙臂工業機器人YuMi。



YuMi每個單臂均為七個自由度,機身重量為38千克。其每條手臂的負載為0.5千克,重復定位精度可達到0.02毫米,因此特別適合小件裝配、消費品、玩具等領 域。從機械手表的精密部件,到手機、平板電腦,以及臺式電腦零件的處理,對于YuMi來說都不在話下,而這正體現出該款冗余度機器人表現出的擴大可達工作 空間、靈活敏捷、精確等種種優良特性。


- 安川莫托曼SIA

  

日本知名機器人制造商,“四大家族”之一的安川電機也發布了多款七軸機器人產品。其中SIA系列機器人是輕型敏捷型七軸機器人,該系列機器人能夠提供類人 的靈活性,并且能夠快速加速。該系列機器人采用輕量化和流線型設計,使其非常適合安裝在狹小的空間內。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、檢驗等操作。

  

除了輕型七軸機器人產品外,安川還發布了七軸機器人焊接系統,其高自由度能夠盡最大可能保持最適合的姿態以實現高品質的焊接效果,特別適合內面的焊接,達到最佳的接近位置。并且該產品能夠高密度布局,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,那智不二越便開發出七自由度的機器人“PrestoMR20”。通過采用七軸設計,使得機器人能夠像模仿人類手臂那樣執行更加復雜的工 作流程,在狹窄的工作區域運動。另外,機器人前端部分(手腕)的扭矩增加到了原來傳統六軸機器人的約兩倍左右,標準配置的扭矩為20千克,通過設定動作范圍,最大可搬運30千克的物品,工作范圍達到1260毫米,重復定位精度為0.1毫米。通過采用七軸結構,MR20在機床上取放工件時可從機床側面進行作 業。這樣一來,就提高了事前準備和維護等作業效率。機床間的空間能夠縮小至傳統六軸機器人的一半以下。



除此之外,那智不二越還發布了MR35(負載為35千克)、MR50(負載為50千克)兩款可在狹小空間和有障礙物場所的應用場合使用的工業機器人。


- OTC七軸工業機器人

  

日本DAIHEN集團歐地希推出了最新的七軸機器人(FD-B4S、FD-B4LS、FD-V6S、FD-V6LS、FD-V20S)。由于有第七軸的回 轉,它們可以實現像人的手腕一樣的扭轉動作,能夠實現一周以上的焊接;另外,七軸機器人(FD-B4S、FD-B4LS)將焊接電纜內藏于機器人本體,因 此在示教作業時無需在意機器人與焊接夾具及工件間的干涉,動作非常順暢,焊接姿態自由度也得到了提高,能夠彌補傳統機器人因與工件或焊接夾具的干涉而造成 無法進入焊接的缺憾。


- Rethink Robotics的Baxter和Sawyer

  

Rethink Robotics是協作機器人的先驅,其中,最先開發的Baxter雙臂機器人,兩個手臂均擁有七個自由度,單臂最大工作范圍為1210毫米,Baxter可同時處理不同的兩項任務以增加適用性,或者實時處理同一任務以實現輸出最大化。

  

去年推出的Sawyer則是單臂七軸機器人,其柔性關節采用了相同的串聯彈性驅動器,但其關節所采用的驅動器被重新設計,使其更小巧。由于采用了七軸的設計,并且工作范圍擴展至100毫米,因此能完成負載更大的工作任務,載荷可達到4千克,比Baxter機器人2.2千克的有效載荷大了不少。


- 雅馬哈七軸機器人YA系列

  

2015年,雅馬哈推出了“YA-U5F”、“YA-U10F”、“YA-U20F”3款七軸機器人,這些機器人均通過新型控制器 “YA-C100”進行驅動控制。

  

7軸機器人帶有相當于人類肘部的E軸,因此可自如完成彎曲、扭轉、伸展等動作。即使在6軸以下機器人難以實施作業的狹窄間隙,也可順利完成作業及設置。另外還可實現低半蹲姿勢以及繞到裝置背部的動作。采用中空構造的致動器,將裝置電纜和空氣軟管內置于機械臂內,不會干擾到周邊的設備,可實現緊湊型生產線。

  

此外,臺灣財團法人精密機械研究發展中心也已研發出雙臂七軸機器人原型,期能助臺灣業者打造3C電子制造的生產利器,并縮小國內外技術差距。

  

國產七軸機器人來了

  

能否實現彎道超車?

  

中國七軸工業機器人的研發始于20世紀90年代初,當時項目的領軍人物正是我國已故的著名機器人技術專家、中國工程院院士張啟先,張啟先院士的主要貢獻之一便是完成了七自由度冗余機器人樣機的研制。

  

上世紀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器人樣機的國家寥寥無幾。而張啟先院士率領課題組經過幾年的艱苦拼搏,在1993年年底完成了首臺七自由度冗余機器人樣機的研制,并一次通過“863”課題驗收和部級鑒定。



一種典型的冗余手臂

  

盡管我國在冗余自由度機器人方面取得一定成果,但主要停留在學術論文、科研報告和實驗樣機的階段,并沒有實現真正的產品化發展,這無疑制約了我國機器人產品向高端產業化邁進的步伐。

  

作為國產工業機器人的龍頭企業,新松率先在2015年工博會上發布了首款國產七軸工業機器人,其自身重量為29千克,負載為5千克,重復定位精度可達到0.02毫米,工作半徑可達800毫米。它具備快速配置、牽引示教、視覺引導、碰撞檢測等功能,特別適用于布局緊湊、精準度高的柔性化生產線,滿足精密裝配、產品包裝、打磨、檢測、機床上下料等工業操作需要。

  

目前,我國絕大多數工業機器人企業還尚未發布七軸工業機器人產品,其中有一部分表示正在研發相關產品,會在年內有相關產品問世,而另有一些企業則表示對七軸工業機器人產品有關注,但尚未計劃設計研發相關產品。

  

我國的機器人產業在七軸工業機器人的理論研究有了很大進步,而商業化產品方面仍與國外有較大差距。究其原因,主要有以下兩個方面:

  

一是自主創新能力弱。缺乏核心及關鍵技術的原創性成果和創新理念,我國工業機器人總體技術與國外先進水平相比,差距在十年以上。

  

二是企業盈利能力較低,研發資金短缺。核心零部件技術的缺失導致企業生產成本高企,加之外資廠商紛紛降價,2015年70%以上企業的本體業務處于虧損狀態。

  

據專家講,我國工業機器人總體技術與國外先進水平相比,差距在十年以上。國產七軸工業機器人的出現,表明我們在工業機器人技術的研發正在加速,但是我們應該有清醒的認識,差距真實存在,想要彎道超車,我們需要盡快攻克核心技術難關,同時也要重視人工智能、感知、識別、驅動和控制等下一代技術的研發。

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