多臂协作机器人技术与应用现状及发展趋势
多臂协作机器人技术与应用现状及发展趋势
随着劳动力短缺和人力成本的不断上升，机器人在各个领域的应用越来越广泛。单臂协作机器人已经不能满足所有场景的需求，多臂协作机器人应运而生。本文将从多个维度对多臂协作机器人技术进行深入分析，包括其类型、应用现状、结构与轻量化研究、建模与控制、人工智能技术应用以及未来发展趋势等。
多臂协作机器人类型及应用现状
固定式双臂协作机器人
固定式双臂协作机器人通常固定在一个工作站或工作区域中，而不是在生产线上移动，因而广泛用于需要高速、高精度和重复性的任务。例如，美国Rethink Robotics公司推出的Baxter服务机器人和瑞士ABB公司推出的YuMi机器人。
图3 固定式双臂协作机器人
固定式多协作机器人系统
固定式多协作机器人系统是一种分布式集群系统，由多个固定安装的机器人组成，协作过程中各机器人基座位置不变，通过手臂的协同工作来完成复杂的任务。例如，新松多协作机器人系统。
图4 新松多可协作机器人系统
移动式协作机器人(单臂或双臂)
移动式协作机器人通常是在轮式、履带式或足式移动平台上加装一个或多个操作手臂，组成复合作业机器人。移动平台与机械臂的结合，大大增加了地面移动作业机器人作业的灵活性和机动性。
多移动协作机器人系统
多移动协作机器人系统是指由多个移动式协作机器人组成的系统，它们可以以集群的形式协同工作来完成一项任务。例如，陈卫东等通过构建多移动协作机器人实验平台，成功集成了平台规划、通信、协调合作和控制等方面的技术。
多臂协作机器人结构与轻量化研究
协作机器人的构型
机器人的构型设计是协作机器人设计的基础和关键。目前具有代表性的协作机器人有iiwa、Yumi、Sawyer以及Franka等，它们的构型主要有两种。iiwa协作机器人采用了SRS构型，而Yumi、Sawyer、Franka则采用类似人体手臂的构型。
轻量化设计
协作机器人的轻量化设计主要包括采用轻质材料、拓扑优化以及有限元分析等方法。例如，日本本田公司第三代ASIMO机器人就采用镁合金材质制作外壳，这使得机器人的自重大幅降低。
关节减速器及其精度控制
关节减速器是影响关节模组功重比和输出精度的重要传动组件，现有的协作机器人传动机构大多采用谐波减速器和RV减速器。然而，现有的控制方法一般将传动系统简化为一个定传动比单元，忽略了减速器内部的构件加工、装配误差和摩擦磨损等影响因素。
多臂协作机器人的建模、控制与协同
动力学建模
协作机器人的动力学建模方法有多种，包括Newton-Euler法、Lagrange法、递归法、Gibbs方程、Appell方程、Volterra方程及Boltzmann方程等。然而，这些方法在处理复杂的多臂协作机器人系统时都存在一定的局限性。UDWADIA等陆续在处理非理想约束、奇异质量矩阵以及复杂机械系统的动力学建模等重要问题上取得进展，形成较为成熟的U-K建模法。
动力学控制
目前机器人控制大都采取PID控制。然而，对于需协同搬运、协同焊接、协同激光切割等轨迹复杂、运动速度高、精度要求高的场合，传统PID控制难以满足要求。普渡大学姚斌教授团队所提出的自适应鲁棒控制能很好地处理不确定性，并能得到较好的瞬态与稳态性能。
多臂协作机器人协同
多臂协作机器人与其他多智能体相比，因应用场景不同，故实现协同的方法有所不同。常见的多机械臂协同技术包括基于力的协同控制技术、基于视觉的协同控制技术、分布式控制技术、级联控制技术和协同规划技术等。
人工智能在协作机器人上的应用
人工智能、类脑科学、机器视觉、柔性技术等前沿技术正加快布局，与协作机器人技术的融合也在不断加速。一些常见的人工智能在协作机器人上的应用包括智能感知、机器学习和人机交互等。
图7 人工智能技术在协作机器人上的应用
多臂协作技术及应用的发展趋势
应用场景向深度人机协同方向发展
多臂协作机器人虽然现在在各种生产、制造、医疗等行业得到了广泛的应用，但还局限在完成较为单一的任务。在机器人还不能完全替代人，特别是人的思维的情况下，人机协同必然是最佳方式，这将要求协作机器人向深度的人机协同方向发展。
结构及零部件更注重高速、高精度和高功重比
协作机器人一般需要具备工作覆盖空间大、重量较轻、响应速度快、执行精度高等性能。因此，协作机器人的机械结构及其零部件设计要更加注重高速、高精度和高功重比。
在动力学方面将更加重视平顺性设计
协作机器人的平顺性是指机器人在协作操作过程中，其末端执行器的运动平滑、稳定，不会产生突变或抖动。因此，在协作机器人的设计中，平顺性的优化考虑也是未来的发展趋势。
需发展分层多元协调式协作机器人系统
多臂协作机器人由于应用广泛，很多应用场景会要求使用多机器人系统。现有多机器人系统的控制结构主要有集中式、分布式和混合式三种。然而，这些控制结构还不能覆盖所有应用场景。如今后家庭养老服务可能会出现如图8 所示的系统组成结构，即分层多元协调式群机器人系统。
图8 养老服务群机器人组织结构
控制将更加趋于自适应柔顺控制和自主决策
多臂协作机器人系统的控制目前还是以刚性为主，即按照事先设定的策略和参数运行。随着越来越多地与人一起协同工作以及人工智能技术的发展，越来越需要系统有很好的柔性，也就是需要控制系统具有越来越强的自适应柔性控制和自主决策功能。
交互趋于多信息融合的自然交互与多维安保
协作机器人本应具有很好的人机协同工作能力和安全性，但目前协作机器人的人机交互性能相对于工业机器人提升并不大，协同能力和自主性差，安全保护只是单一维度而难以满足要求。为提高协作机器人人机自然交互能力和安全性，同时提高人机协作完成任务的效率，还需进行基于多信息融合的人机自然交互与安全防护策略研究。
结论
随着社会和科技的进步，对生产和生活的要求越来越高。生产中小批量、多品种、个性化要求增多，需要大幅提高生产设备的柔性化和智能化。另一方面，由于人力资源的短缺越来越严重，迫切需要用机器替代人或与人协同工作。发展协作机器人是解决这一问题的很好途径，已发展的单臂协作机器人已在制造业等领域取得了很大的成功，但更广阔的领域则需要多臂协作机器人。多机械臂协作既是智慧工业的关键支撑装备，也是改善人类生活方式的重要切入点，且拟人的多臂协作机器人也将逐步走向人类的生活。