在開始人機協(xié)作機器人的闡述之前，我們來品味一段發(fā)人深思的演說—— “目前機器人行業(yè)的發(fā)展與30年前的電腦行業(yè)極為相似。今天在汽車裝配線上忙碌的一線機器人，正是當年大型計算機的翻版?，F(xiàn)在，我看著多種技術(shù)發(fā)展的趨勢開始匯為一股推動機器人技術(shù)前進的洪流，我完全能夠想象，機器人將成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?rdquo;。這段話發(fā)表于2007年的國際消費類電子產(chǎn)品展覽會（CES）開幕式，演講者不是別人，正是世界首富、普及個人電腦的革命者、30多年前創(chuàng)立微軟的比爾·蓋茨。從某種程度上而言，蓋茨的一番話就像一劑興奮劑，激發(fā)了人類追求智能生活的熱情。
從“家家擁有電腦”到“家家擁有機器人”,機器人產(chǎn)業(yè)正如計算機改變世界那樣，從過去的日積月累，到現(xiàn)在的百花齊放，走向未來的全面普及。我們有理由相信，機器人必將像計算機一樣，徹底改變?nèi)祟惖纳婺Ｊ?。但是，我們也應理性地認識到，機器人從工廠的裝配線走到客廳，甚至走到你的枕邊，還有很長的路要走。
機器人需要與人類和平共處
從人類的角度上講，機器人自誕生之日起，就是為人類服務的。既然服務的對象是人，那么機器人存在意義的前提就是“和平共處”。未來，機器人要想和人類如同伙伴一般在一起生活，除了實現(xiàn)與人類交流、思想和精神上契合等長遠目標之外，當下我們最需要滿足的，同時也是最務實的需求其實還是希望機器人能夠與人一同協(xié)作，與人類“共同”完成不同的任務。這既包括完成傳統(tǒng)的“人干不了的、人不想干的、人干不好的”任務之外，更應包括能夠減輕人類勞動強度、提高人類生存質(zhì)量的復雜任務。正基于此，人機協(xié)作的概念應運而生，并逐漸被產(chǎn)業(yè)界、學術(shù)界、研究機構(gòu)所追捧。
人機協(xié)作這一概念可被看做是下一代機器人必須擁有的屬性，只有先實現(xiàn)“人機協(xié)作”才有可能使“家家擁有機器人”這一偉大的夢想照進現(xiàn)實。而人機協(xié)作這一特性，將促進機器人更廣泛的應用，促進機器人成為人類生活中扮演不可或缺的伙伴角色。
安全是人機協(xié)作的前提
在著名的《我，機器人》這部作品中，艾薩克·阿西莫夫著重強調(diào)了“機器人學三大法則”對機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性。其中重中之重地把“機器人不得傷害人類，或坐視人類受到傷害”放在了首位。可見，機器人的安全性在產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程中扮演的角色是何等重要。
機器人學三大法則
為了防止工業(yè)機器人在操作過程中對人類的安全造成威脅，國際標準化組織規(guī)定，工業(yè)機器人必須與操作者和其他工作人員分離，而我國也對機器人的安全性制定了相關國家標準。
涉及機器人安全的國家標準
眾所周知，為了保證機器人足夠安全，自從工業(yè)機器人誕生半個多世紀以來，絕大部分工業(yè)機器人都被安置在靜態(tài)、確定的“被隔離”環(huán)境中，且完成的是單一重復性任務?？臻g上往往由非常堅固的圍欄把機器與人隔離開。當然也就談不上更高層次的“走入人類生活”了。近年來，隨著兩化融合的趨勢不斷加深，制造業(yè)開始出現(xiàn)定制化、個性化、柔性化的發(fā)展趨勢，這就對傳統(tǒng)機器人這種固定的生產(chǎn)模式提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。
圍欄將人與機器人相隔離
舉例而言，電子電器行業(yè)已經(jīng)被公認為未來將超過汽車行業(yè)而成為機器人應用的最大市場。過去的電子電器行業(yè)的裝配生產(chǎn)線往往采取自動傳輸線旁人力密集堆積的模式。在自動化改造過程中，大家就發(fā)現(xiàn)，所有的工位一次性完全由機器人替代幾乎是不可能完成的任務，也不符合經(jīng)濟性的原則，只能部分替代。這種情況就導致了機器人與人之間的“親密接觸”不可避免，而傳統(tǒng)的工業(yè)機器人不能滿足企業(yè)生產(chǎn)安全性的需求。機器人與人協(xié)作的安全性考量已經(jīng)成為人機協(xié)作未來發(fā)展的重中之重。
目前，相比尚未成熟的服務機器人市場，人機協(xié)作機器人已經(jīng)在工業(yè)機器人領域初露鋒芒，畢竟工業(yè)領域是機器人應用最廣泛、最成熟的一片熱土。這種新型機器人能夠直接和操作人員在同一條生產(chǎn)線上工作，但卻不需要使用安全圍欄與人進行隔離，這無疑在全手動和全自動的生產(chǎn)模式之間構(gòu)建了新的橋梁。
由于生產(chǎn)流程中的工作任務日趨復雜，同時還要保證降低成本、效益最優(yōu)，因此人們希望機器人技術(shù)能夠不斷提高與人類、設備之間的互動。雖然，人機協(xié)作機制將允許機器人完成更廣泛的、更復雜的任務，但是它也提出了機器人在安全性方面的種種問題。而事實是，增加機器人的安全性往往意味著性能上的妥協(xié)，這就要求設計人員必須在兩者之間尋求平衡，以保證安全與性能的雙贏。
那么，在“安全機制”層面，人機協(xié)作應該滿足哪些特征，才使得人機協(xié)作機器人的屬性足夠與人“和平共處”呢？
輕量化
對于傳統(tǒng)機器人來說，動輒幾百千克,甚至上千千克的自身重量本身就為安全性增加了隱患。從學術(shù)的角度來看，這種機器人運動時的慣量非常大，而我們所控制的動力不足以改變其動作，讓它停止，即便控制做得再好，也是于事無補，那么傳統(tǒng)機器人那種粗重的結(jié)構(gòu)就是不安全因素之一。因此，若要滿足機器人的安全機制，首先需要解決的就是機器人的輕量化問題，也就是開發(fā)重量盡可能輕的輕型機器人。
友好性
人機協(xié)作機器人具備的友好性是指設計人員在設計時，需要保證機器人的表面和關節(jié)必須是光滑且平整的，不能帶有尖銳的轉(zhuǎn)角或者易夾傷操作人員的縫隙，同時它還應該適應人類工作環(huán)境。
感知能力
人機協(xié)作機器人應該能夠感知周圍的環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境的變化改變自身的行為。比如，當機器人手臂撞擊到人類手臂時，人機協(xié)作機器人可根據(jù)力覺傳感器感知到人類手臂的存在，并及時做出停止、遠離其他保護人類安全的動作。
人機協(xié)作由來已久
實際上，人機協(xié)作技術(shù)很早以前就已經(jīng)成為全球各大高校、機器人研究所爭相攻關的機器人技術(shù)。但是，在上世紀90年代之前，還尚未有成熟的產(chǎn)品進行商業(yè)化量產(chǎn)。
美國在人機協(xié)作方面的研究起步較早，世界上第一臺商業(yè)化人機協(xié)作機器人便誕生于美國Barrett Technology公司。Barrett Technology創(chuàng)立于1990年，從麻省理工學院（MIT）中孵化而出，而其任務就是設計研發(fā)設計世界上第一臺觸覺機器人手臂，而Barrett Technology也獲得了美國能源部（DoE）、美國國家航空航天局（NASA）、美國國家衛(wèi)生基金會（NSF）的大力支持。
Barrett創(chuàng)始人Bill Townsend（1997年）
1995年5月，WAM機械臂首次在NASA肯尼迪航天中心公開。而在基準測試結(jié)果中，7自由度的WAM機械臂在速度和加速度方面的表現(xiàn)遠遠超過了當時其他著名的商用機器人，比如PUMA 562、 Motoman K10S、Schilling Gamma 7F。
目前，Barrett Technology公司擁有全世界最先進的伺服技術(shù)，WAM機器人采用全世界最小的伺服驅(qū)動器，重量僅43克。
除了美國之外，德國作為制造業(yè)強國，對于人機協(xié)作的研究自然也是由來已久。比較有代表性的就是德國宇航中心的機器人學及機電一體化研究所，即DLR（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.）。
DLR開始設計人機協(xié)作機器人（LightWeight Robot，LWR）起源于1991年，而真正使得輕量級機器人得到長足發(fā)展的關鍵點則是1993年德國宇航中心的空間機器人實驗ROTEX（Spase Robot Technology Experiment），該計劃在哥倫比亞號航天飛機上的空間實驗室內(nèi)順利完成。但是，彼時的機器人還十分笨重，以至于無法在地面上工作。而正因如此，科研人員才切實感受到小型輕量機器人的重要性，并開始設計研發(fā)。
由DLR開發(fā)的三代機器人
DLR對人機協(xié)作技術(shù)深耕十幾年，其研究與發(fā)展也伴隨著三代輕量型機器人的問世——LBR Ⅰ（1991年）、LBRⅡ（1998年），以及LBRⅢ（2003年）。
這三代機器人具有兩個共同的特征：
第一，他們都是冗余自由度機器人，擁有7個自由度，可模仿人類手臂進行一些復雜動作；
第二，所有的關節(jié)具備力矩測量功能，該功能通過安裝在減速器輸出端的力矩傳感器實現(xiàn)。
實際上，作為德國著名的機器人生產(chǎn)商，全球機器人“四大家族”之一的KUKA在人機協(xié)作方面的研究與DLR之間也有著千絲萬縷的聯(lián)系。與科研機構(gòu)的高效合作，使得KUKA將很多科研項目轉(zhuǎn)化為成熟的商業(yè)產(chǎn)品，其與DLR在人機協(xié)作方面的合作就是典型之一。在研發(fā)LWR的過程當中，KUKA扮演了不可或缺的角色。LWR在之前的十幾年時間由DLR研發(fā)，之后便開始由KUKA與DLR共同研發(fā)，并成功實現(xiàn)了技術(shù)轉(zhuǎn)化。
2003年，在德國聯(lián)邦科教部的支持下，旨在幫助兩者有效結(jié)合的PAPAS項目開始實施，KUKA與DLR第一次開始聯(lián)合。DLR主要負責提供帶有基本控制策略的人機協(xié)作機器人LWR，而KUKA則負責提供更高級的KRC控制器。一年后，在全球最大的機器人展覽Automatica 2004上，DLR的LWR和KUKA聯(lián)合發(fā)布了新產(chǎn)品——RoboAssistant。
Automatica 2004：首次公開展示 “RoboAssistant”
之后KUKA和DLR在更多領域內(nèi)開展了更加深入的合作，包括如何開發(fā)輕量型人機協(xié)作手臂，更好地理解傳感器組件和集成電子元器件。KUKA決定開始小批量生產(chǎn)DLR的LWR第三代人機協(xié)作機器人。
Automatica 2006：柔性表面處理（左）和“手把手”示教編程
2006年，KUKA在Automatica的展位上展示了LWR第三代在復雜環(huán)境下的應用。通過展覽，KUKA發(fā)現(xiàn)LWR第三代機器人遠遠不能滿足市場需求，因此LWR第四代應運而生。從2008年，此時的LWR已經(jīng)更新至第四代，并計劃開始向全歐洲的客戶銷售共計60臺該型號的人機協(xié)作機器人。
LBR iiwa
2014年11月，KUKA首次在中國發(fā)布人機協(xié)作機器人LBR iiwa。該款人機協(xié)作機器人的負荷達到7千克，最大工作范圍為8米。LBR iiwa采用7自由度設計，并使用集成傳感器。 iiwa具備高靈敏性，其所有的關節(jié)都具備高性能碰撞檢測以及關節(jié)力矩傳感器。為了更好地人機協(xié)作，iiwa采用友好的流線型設計，并且非常適合安裝在狹小的工作空間。該輕型機器人甚至可以在車輛內(nèi)部有限空間內(nèi)開展作業(yè)。例如，它可以在車輛內(nèi)部前后移動，完成螺絲擰緊作業(yè)。目前，iiwa具有兩種型號，有效載荷分別為7千克和14千克。LBR iiwa人機協(xié)作機器人的問世凝聚了眾多DLR和KUKA研發(fā)者的智慧與合作，可謂“產(chǎn)學研”結(jié)合的典型代表。
除了KUKA之外，同為全球機器人“四大家族”之一的歐洲機器人巨頭ABB也于2014年發(fā)布了其首款人機協(xié)作機器人YuMi。為了保證人機協(xié)作的安全性，YuMi所有電路和氣路均內(nèi)置，手臂是緩沖防護型，增強了工人的安全性，以防止操作中與機器人發(fā)生意外觸碰。由于該款人機協(xié)作機器人采用輕量化設計，除了進一步增強機器人的安全性之外，還有利于縮小安裝空間。
YuMi
ABB設計的人機協(xié)作機器人的運行速度可達到1.5米每秒，既增加了產(chǎn)量，也提高了工廠的生產(chǎn)效率。YuMi采用雙臂操作，可并行處理兩項任務，同時可實現(xiàn)接觸力感應裝配，與人類的動作非常類似。
同樣來自歐洲的優(yōu)傲機器人公司（Universal Robots）也是人機協(xié)作機器人家族中典型的代表之一，目前已形成UR3、UR5、UR10系列人機協(xié)作機器人。這三款人機協(xié)作機器人負載分別為3千克、5千克、10千克，是人機協(xié)作機器人中的典型代表。
UR3、UR5、UR10
2005年，優(yōu)傲誕生于丹麥。憑借超高的性價比，優(yōu)傲機器人迅速成為中小企業(yè)熱捧的機器人產(chǎn)品。3年后，優(yōu)傲獲得丹麥國家投資基金(Danish State Investment Fund)以及丹麥著名風險投資公司Syddansk Teknologisk Innovation的大力支持。優(yōu)傲的首臺產(chǎn)品是—— UR5，六關節(jié)的人機協(xié)作機器人，它獲得了工業(yè)機器人市場的極大關注。UR5 自重僅18千克，有效負載高達5千克，工作范圍為85厘米。
優(yōu)傲之所以很快獲得市場歡迎，除了強大的市場需求之外，最關鍵的是，優(yōu)傲在人機協(xié)作機器人領域創(chuàng)造的價格優(yōu)勢，其關鍵的關節(jié)力覺感知使用的并不是力矩傳感器，而是通過感知電機電流變化的方式實現(xiàn)力反饋，從而進一步降低了優(yōu)傲機器人產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，使其獲得了很大的市場競爭優(yōu)勢。
而真正使優(yōu)傲機器人聲名大噪的事件發(fā)生在2015年。美國著名自動測試設備供應商、紐交所上市企業(yè)泰瑞達（Teradyne）以高達2.85億美元的超高資本收購優(yōu)傲機器人公司，引起了資本界、媒體界的大量關注，一時間，優(yōu)傲也成為了人機協(xié)作機器人市場的紅人。
被譽為“機器人王國”的日本，在人機協(xié)作技術(shù)上的研究自然也是風頭正勁，作為 “四大家族”的安川電機和發(fā)那科都在近年重磅發(fā)布了旗下多種類協(xié)作型機器人。其中比較典型的是發(fā)那科于2015年發(fā)布的該領域具有全球最大負載的CR-35iA，最高載荷可達到35千克，遠遠超過其他公司生產(chǎn)的輕型協(xié)作機器人，可謂是人機協(xié)作機器人中的“海格力斯”。
發(fā)那科CR-35iA
除了可與操作人員共享區(qū)域作業(yè)，相互協(xié)調(diào)，進行重零件的搬運、裝配等作業(yè)，觸碰到人時會立刻安全地自動停止等人機協(xié)作機器人必備技術(shù)之外，CR-35iA還安裝了綠色“柔軟”外殼，緩和沖擊力，大大增加了友好性，保證操作人員免于傷害。
Sawyer（左）和Baxter（右）
說到人機協(xié)作機器人，就不得不提到一家位于美國硅谷的機器人廠商，其創(chuàng)始人有著傳奇的經(jīng)歷。麻省理工學院（MIT）人工智能實驗室、電腦科學和人工智能實驗室（CSAIL）前主任，美國納斯達克上市公司iRobot創(chuàng)始人、前董事會成員、前CTO……他就是羅德尼·布魯克斯（Rodney Brooks），現(xiàn)任Rethink Robotics董事長、CTO。
羅德尼·布魯克斯
Rethink Robotics的成功在于出色地控制了機器人的生產(chǎn)成本，并創(chuàng)造了價格神話。據(jù)了解，作為一款智能型的人機協(xié)作機器人，其造價成本控制在目前普通工業(yè)機器人的一半以下，而其售價（以Baxter為例）僅約2萬美元，可謂性價比超高，這也為Rethink Robotics賺足了噱頭。
而Rethink Robotics近期推出的Sawyer機器人正是瞄準了當前中國制造業(yè)市場，特別適合中小企業(yè)的業(yè)務多樣而小負載的工作，能夠滿足個性化、柔性化制造的需求。Sawyer擁有很高的自適應精確度，其能夠在半構(gòu)化的環(huán)境中有效完成公差為0.1mm的實際應用。Sawyer的柔性關節(jié)臂的功率和力度都受到限制，每一個關節(jié)都包含高分辨率的力矩傳感器，同時采用自有的串聯(lián)彈性驅(qū)動器（SEA），使其完成柔順驅(qū)動，提供安全有效的人機交互。而且，Sawyer還能夠根據(jù)自身所處環(huán)境的變化而變化。比如，當操作人員經(jīng)過時，它可以減慢自身的運行速度，以降低對人類的威脅。
商業(yè)上，我國人機協(xié)作機器人的成品化進程相對較晚，但我們也可喜地看到了成果。2015年，我國最大的機器人產(chǎn)業(yè)化基地、機器人產(chǎn)業(yè)的龍頭企業(yè)——沈陽新松自動化股份有限公司推出了國內(nèi)首款高端7軸人機協(xié)作機器人。為了搶占高端機器人市場，獲得市場話語權(quán)，沈陽新松開發(fā)了這款高靈活度、易使用、適應人機協(xié)作需求的7自由度擬人化柔性多關節(jié)工業(yè)機器人。沈陽新松開發(fā)的柔性多關節(jié)機器人采用力反饋技術(shù)，能夠在運轉(zhuǎn)過程中靈敏地感知到、觸碰到外物并及時停下來，從而有效保證了協(xié)作人的人身安全。
該機器人擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，具有快速配置、牽引示教、視覺引導、碰撞檢測等功能，其極高的靈敏度、靈活度、精確度和安全性的特征，特別適用于布局緊湊、精準度要求高、工作空間有限的柔性化生產(chǎn)線，滿足精密裝配、產(chǎn)品包裝、打磨、檢測、機床上下料等工業(yè)操作需要。
當然除了傳統(tǒng)的汽車、電子等工業(yè)領域之外，沈陽新松生產(chǎn)的柔性多關節(jié)機器人還可應用于醫(yī)藥、精密儀器等行業(yè)，具有廣泛的適用性。
人機協(xié)作應用豐富
在“工業(yè)4.0”的大環(huán)境下，人機協(xié)作機器人除了能夠開拓全新的制造業(yè)生產(chǎn)模式之外，其良好的安全性、靈活性、易用性等特殊性能還能夠廣泛服務于工業(yè)之外的其他領域，比如醫(yī)療業(yè)、服務業(yè)等。北京理工大學機器人研究所作為中國頂級機器人科研單位之一，在人機協(xié)作技術(shù)方面有著深厚的底蘊，而其人機協(xié)作技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生、服務等領域的應用層面也獲得了很多贊譽。
人機協(xié)作在醫(yī)療上的應用
北京理工大學智能機器人研究所的黃遠燦課題組是國內(nèi)最早開發(fā)安全協(xié)作型機器人臂的單位之一，在國家自然科學基金支持下，他們研制了世界上第一臺柔性驅(qū)動的按摩機器人臂，能實現(xiàn)類似人類按摩師的按摩手法，參加了2013中國工業(yè)機器人成果對接與交流會和第二屆中國（北京）國際服務貿(mào)易交易會（京交會），引起了媒體和學術(shù)界的關注。2013年11月，IEEE Spectrum介紹了該按摩機器人臂，稱其將“取代”人類按摩師。機器人按摩的錄像上傳到國外某知名視頻網(wǎng)站后，得到了廣大網(wǎng)民關注。在國家“十二五”科技支撐計劃支持下，他們還與北京東直門醫(yī)院和哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合開發(fā)了世界上第一個能對中風偏癱病人進行全身康復訓練的仿人形康復機器人。
未來前景看好
自人類發(fā)明機器人以來，就以替代人力完成生產(chǎn)任務為目標，而與之伴隨的是對大量工廠失業(yè)人員擔憂。當然，短期來看，“機器換人”的大潮勢必會帶來部分人的下崗，但是從長遠和全局看，機器人的效用不但不會搶走我們的飯碗，反而還能夠催生更多類型的工作崗位、更高質(zhì)量的生產(chǎn)模式，并提高制造業(yè)的整體水平。人機協(xié)作更是如此，它的出現(xiàn)從本質(zhì)上并不是要替換人類的某種單一重復性的任務，而是更智能地陪伴人類完成更多復雜多變的任務，甚至開創(chuàng)原來無法完成的高難度工作，因此，我們有理由相信，人機協(xié)作在接下來的機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程中勢必獲得越來越多從業(yè)者的歡迎。