机器人前沿：负载1吨与0.1毫米精度如何兼得？

2023-10-31 08:10

作为“制造业皇冠顶端的明珠”之一的机器人，随着人工智能、物联网、大数据等新一代信息技术的快速发展，相关产业也将迎来新一轮融合创新发展浪潮。

与此同时，机器人产业正成为顺德乃至佛山加速崛起的新兴产业“新赛道”。这一话题也成为近期在佛山顺德召开的美的2023远见者大会上的焦点话题之一。

美的蓝橙实验室副主任兼中央研究院机电一体化研究所所长陈文杰认为，随着机器人重载化和精巧化的不断演进，势必会让机器人从工业走向商业，最后走向人类日常生活的方方面面，实现机器人家电化与家电机器人化，大幅提升家电智能属性和服务能力，从而替代人类日常劳动，让人类彻底摆脱劳动负担成为可能。

美的蓝橙实验室副主任兼中央研究院机电一体化研究所所长陈文杰

以下是陈文杰所长的演讲实录：

陈文杰：大家好，我来分享一下《机器人历史演化和发展趋势》，这个主题其实非常大，但是我们梳理以后发现一个有趣事情，机器人的发展趋势跟中国武术的一些理念有些相似性，首先是“形意合一”，外形和内意的高度统一，在机器人上表现为形态和性能要一体化；同时要做到“举重若轻”，重和轻的矛盾融合，要做到非常轻巧实现重型作业，这是我们所看到机器人的发展趋势，也是我们的目标。

图源：豆瓣

机器人是人类智慧和技术的结晶，随着时间的不断推移，机器人从早期简单的机械臂到现在的人形机器人，形态和功能都发生了巨大的变化。历史上的早期机器人也出现在各个古文明典籍当中，比如说中国战国时期，有鲁班和墨子《九攻九距》的典故。

墨子与鲁班图源：人民网

现代机器人是从二十世纪开始，为了解决生产问题而诞生的工业机器人。1961年，在美国Unimation诞生第一台可数控可编程的工业机器人；随后几十年，随着需求的不断演变，机器人的形态和功能也发生日新月异的变化；近年来，在机器人技术和AI技术的巨大突破下，人们对机器人的想像空间也发生很大变化。服务机器人，人形机器人不断涌现，逐渐出现在酒店、餐厅、家庭等日常生活场景中，大家以人的需求为本，不断延伸着对机器人未来的想像空间。

Unimation公司在1959年研制出了世界上第一台工业机器人图源：Wikipedia

我们如果把机器人这几十年来的发展放在功能二维图来看，横轴是机器人功能的精巧度，也就是精度和灵巧性；纵轴是机器人的负载能力，也就是能够举多重的东西。我们能够看到，无论是传统的工业机器人还是新兴的服务机器人，机器人的演进规律还是比较明晰的，基本上都是从左下角往右上角去演进，从低负载、低精巧度往既厚重又精巧的方向演进。

传统的工业机器人由于场景任务相对固定，所以更加侧重于负载能力的提升，服务机器人的服务场景更加多样，它会侧重于精巧能力的提升。所以双方演进的主要方向和演进速度还是差异明显，可以看出整个二维图的右上角存在空白，如何将“高灵巧”和“高负载”完美的结合在一起一直是困扰业界多年的难题。

机器人的负载能力随着需求的演进不断提升，食品药品等小型分拣的负载需求是几公斤；一般工业自动化的负载是数十公斤；像冶金、车身搬运、重型加工等重型作业的负载要达到几百公斤、甚至上吨。再到一些特种作业，比如空间站上的机械臂，要达到数吨的负载，还有一些超重载的，比如说高铁车身搬运和大飞机制造，需要达到上百吨的负载。

一款超大机器人搬运系统在演示搬运

其次，任务和场景的多样化、复杂化，使机器人的精巧能力有大幅度的提升，早期机械臂只能实现简单的可编程作业，精度也比较差。现在工业机器人，在精度和速度方面都已经全面超越人类，能够实现高速高精作业。在医疗机器人领域，机器人也实现了超越医生的手术作业复杂度和灵活性，像腹腔镜的手术机器人，仅需要通过一个小孔，就能够深入到人体内部来进行复杂精细的手术操作，还有一些场合需要人和机器人来进行协同工作，在另外一些复杂工作场景中，还需要多个机器人来实现群体协作。

机器人的负载能力和精巧性都在不断发展，但想把二者融合起来却存在很大难度。大家可以想像一下，一个负载一吨的重载机器人去实现0.1毫米精度的精巧操作，好比让一头大象去做穿针引线的工作，这方面的完美融合还是业界非常巨大的难题。

重载机器人在精巧化作业中存在不少挑战。

首先，高动态下的精度和抖动问题，重载机器人的大惯量和系统柔性容易造成轨迹误差，难以完成高速高精工作；

其次，人机交互的安全问题，重载机器人工作空间大，负载大，但是力觉感知精度差，所以危险性比较大；

第三，重载机器人在重载冲击下，可能伺服刚度不足，会造成重载加工的时候出现颤振，导致加工质量差；还有在大尺度空间下的灵活性不足，重载机器人传统上是固定式作业，但是在大飞机制造等大尺度空间和复杂作业环境下，就显得灵活性不足。为解决这些问题，我们不断从本体、控制、核心部件等多个层面去开展工作。

图源：pixabay

首先是本体的正向设计，我们通过构型上的创新，比如双大臂的构型和混联构型等创新设计来提高机器人的刚度和灵活性。在机电控的联合仿真方面，我们通过刚度耦合的精细化动力学建模和全闭环的仿真，在设计阶段就实现对机器人性能的精准预测。在结构的拓扑优化方面，我们构建多目标的优化模型和智能搜索算法，来实现对结构和拓扑的极致优化。在传动链-零部件的解耦设计方面，我们通过对整机性能和零部件的解耦设计，实现对高精、高刚、大负载自重比传动链的设计。

在智能化控制方面，我们希望机器人能够在各种应用场景当中实现最优性能、很高的鲁棒性和可靠的安全性，这需要研发各种高性能控制算法，比如说高刚度的伺服控制；高节拍速度的规划；还有高动态的视觉伺服和定位导航；以及高柔顺性的人机协作和功能安全，此外还要研发自主优化算法，希望机器人能够在各种复杂动态的多元化任务中进行智能化的自适应。

在核心器件领域，首先是高性能电机技术，我们正在通过高聚磁拓扑结构和低温升定子技术实现电机的高速化和小型化；在驱动技术方面，我们突破高动态低波动的驱动技术，来实现驱动控制的快速性和稳定性，在传动技术方面，我们基于承载和寿命驱动进行正向设计及工艺研究来实现对精度寿命保持的成套技术。

在感知技术方面，我们通过对位置、力觉、视觉的传感器技术创新和多模态融合，实现对重载作业的高灵敏感知。

图源：新浪科技

通过这几年的努力，我们研发了一系列核心零部件，包括高性能的精密减速机，高可靠性的伺服电机，还有高功率密度一体化以及高速3D视觉相机，来支撑机器人整机的高端需求，形成产业链的垂直整合。

以上这些工作其实是为了支撑我们对机器人的期望。关于我们对机器人的期望，我想引用著名机器人专家、前IEEE（电气与电子工程师协会）主席，福田敏男院士的一句话“机器人应当要协助人类来应对所面临的重大问题”，什么是重大问题呢？

我能想到两个：一个是社会生产力提升，还有一个人类生命健康保障。其实在当下，我们已经做了很多工作了，机器人在柔性制造中已经以极大的灵活性来变革传统的固定式、流水式作业。我们在美的库卡工厂中实现了机器人全自动造机器人；同时机器人要更深度地与人类协同参与生产，进一步提升生产柔性，以支撑先进制造升级。此外，在精准医疗、康复保健等新领域，美的库卡机器人也在积极发挥着重要作用，成为医疗影像设备和诊疗机器人的重要组成部分，从而改善人类生活品质，保障人民生命健康。