七軸機(jī)器人，又稱(chēng)為冗余機(jī)器人，相比六軸機(jī)器人額外的軸允許機(jī)器人躲避某些特定的目標(biāo)，便于末端執(zhí)行器到達(dá)特定的位置，可以更加靈活的適應(yīng)某些特殊工作環(huán)境。
隨著軸數(shù)的增加，機(jī)器人的靈活性也隨之增長(zhǎng)。但是，在目前的工業(yè)應(yīng)用中，用得最多的是三軸、四軸和六軸的工業(yè)機(jī)器人，這是因?yàn)椋谀承?yīng)用中，并不需要很高的靈活性，而三軸和四軸機(jī)器人具有更高的成本效益，并且三軸和四軸機(jī)器人在速度上也具有很大的優(yōu)勢(shì)。
未來(lái)，在需要高靈活性的3C產(chǎn)業(yè)，七軸工業(yè)機(jī)器人將擁有用武之地，隨著其精度不斷增加，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，它將取代人工進(jìn)行裝配手機(jī)等精密電子產(chǎn)品。
技術(shù)分析：七軸工業(yè)機(jī)器人比六軸工業(yè)機(jī)器人強(qiáng)在哪？
從技術(shù)上來(lái)看，六軸工業(yè)機(jī)器人存在什么問(wèn)題，七軸工業(yè)機(jī)器人又強(qiáng)在哪？
01改善運(yùn)動(dòng)學(xué)特性
在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題中，三個(gè)問(wèn)題使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)受到非常大的限制。
第一是奇異構(gòu)型。當(dāng)機(jī)器人處于奇異構(gòu)型時(shí)，它的末端執(zhí)行器不能繞某個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，或者施加力矩，因而奇異構(gòu)型極大的影響了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
六軸機(jī)器人第六軸和第四軸共線(xiàn)發(fā)生奇異
第二是關(guān)節(jié)位移超限。在真實(shí)工作情況下，機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)的角度范圍是受到限制的，最理想的狀態(tài)是正負(fù)180度，但是很多關(guān)節(jié)是做不到的。另外，七軸機(jī)器人可以避免角速度運(yùn)動(dòng)過(guò)快，讓角速度分配得比較均勻。
新松七軸機(jī)器人各軸運(yùn)動(dòng)范圍及最大角速度
第三是工作環(huán)境中存在障礙。在工業(yè)環(huán)境下，很多場(chǎng)合存在各種環(huán)境障礙，傳統(tǒng)的六軸機(jī)器人無(wú)法只改變末端機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，而不改變末端機(jī)構(gòu)的位置。
02改善動(dòng)力學(xué)特性
對(duì)于七軸機(jī)器人而言，利用其冗余自由度不僅可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，并且我們可以利用其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最佳的動(dòng)力學(xué)性能。
七軸機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)力矩的再分配，這里涉及到機(jī)器人的靜力平衡的問(wèn)題，也就是說(shuō)，作用在末端的力，通過(guò)一定的算法算出每個(gè)關(guān)節(jié)承受的力有多大。對(duì)于傳統(tǒng)的六軸機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其每個(gè)關(guān)節(jié)的力是一定的，它的分配可能很不合理。但是對(duì)于七軸機(jī)器人來(lái)說(shuō)，我們可以通過(guò)控制算法調(diào)整各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩，讓薄弱的環(huán)節(jié)承受的力矩盡量小，是整個(gè)機(jī)器人的力矩分配比較均勻，更加合理。
03容錯(cuò)性
機(jī)器人在發(fā)生故障時(shí)，如果有一關(guān)節(jié)失效，傳統(tǒng)六軸機(jī)器人便無(wú)法繼續(xù)完成工作，而七軸機(jī)器人可以通過(guò)重新調(diào)整故障關(guān)節(jié)速度（運(yùn)動(dòng)學(xué)容錯(cuò)）和故障關(guān)節(jié)力矩（動(dòng)力學(xué)容錯(cuò)）的再分配實(shí)現(xiàn)繼續(xù)正常工作。
國(guó)際巨頭們的七軸工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品
無(wú)論從產(chǎn)品角度，還是從應(yīng)用角度，七軸工業(yè)機(jī)器人目前都還處于初步發(fā)展階段，但各大廠商紛紛在各大展覽會(huì)力推相關(guān)產(chǎn)品，可以想見(jiàn)對(duì)其未來(lái)的發(fā)展?jié)摿€是十分看好的。
庫(kù)卡LBRiiwa
2014年11月，庫(kù)卡在中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)機(jī)器人展上首次發(fā)布KUKA第一款七自由度輕型靈敏機(jī)器人LBRiiwa。
LBRiiwa七軸機(jī)器人基于人類(lèi)手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)合集成的傳感器系統(tǒng)，使該輕型機(jī)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(nèi)均配備高性能碰撞檢測(cè)功能、集成的關(guān)節(jié)力矩傳感器，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。
七軸的設(shè)計(jì)，使得KUKA的該款產(chǎn)品有較高的靈活度，可輕松地越過(guò)障礙物。LBRiiwa機(jī)器人的結(jié)構(gòu)采用鋁制材料設(shè)計(jì)，其自身重量只有23.9千克。其負(fù)荷有兩種，分別為7千克和14千克，使其成為首款負(fù)荷超過(guò)10千克的輕型機(jī)器人的產(chǎn)品。
ABBYuMi
2015年4月13日，ABB在德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式向市場(chǎng)推出全球首款真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的雙臂工業(yè)機(jī)器人YuMi。
YuMi每個(gè)單臂均為七個(gè)自由度，機(jī)身重量為38千克。其每條手臂的負(fù)載為0.5千克，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.02毫米，因此特別適合小件裝配、消費(fèi)品、玩具等領(lǐng)域。從機(jī)械手表的精密部件，到手機(jī)、平板電腦，以及臺(tái)式電腦零件的處理，對(duì)于YuMi來(lái)說(shuō)都不在話(huà)下，而這正體現(xiàn)出該款冗余度機(jī)器人表現(xiàn)出的擴(kuò)大可達(dá)工作空間、靈活敏捷、精確等種種優(yōu)良特性。
安川莫托曼SIA
日本知名機(jī)器人制造商，“四大家族”之一的安川電機(jī)也發(fā)布了多款七軸機(jī)器人產(chǎn)品。其中SIA系列機(jī)器人是輕型敏捷型七軸機(jī)器人，該系列機(jī)器人能夠提供類(lèi)人的靈活性，并且能夠快速加速。該系列機(jī)器人采用輕量化和流線(xiàn)型設(shè)計(jì)，使其非常適合安裝在狹小的空間內(nèi)。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(yàn)等操作。
除了輕型七軸機(jī)器人產(chǎn)品外，安川還發(fā)布了七軸機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其高自由度能夠盡最大可能保持最適合的姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的焊接效果，特別適合內(nèi)面的焊接，達(dá)到最佳的接近位置。并且該產(chǎn)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(yōu)良的避障功能。
那智不二越PrestoMR20
早在2007年底，那智不二越便開(kāi)發(fā)出七自由度的機(jī)器人“PrestoMR20”。通過(guò)采用七軸設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人能夠像模仿人類(lèi)手臂那樣執(zhí)行更加復(fù)雜的工作流程，在狹窄的工作區(qū)域運(yùn)動(dòng)。另外，機(jī)器人前端部分（手腕）的扭矩增加到了原來(lái)傳統(tǒng)六軸機(jī)器人的約兩倍左右，標(biāo)準(zhǔn)配置的扭矩為20千克，通過(guò)設(shè)定動(dòng)作范圍，最大可搬運(yùn)30千克的物品，工作范圍達(dá)到1260毫米，重復(fù)定位精度為0.1毫米。通過(guò)采用七軸結(jié)構(gòu)，MR20在機(jī)床上取放工件時(shí)可從機(jī)床側(cè)面進(jìn)行作業(yè)。這樣一來(lái)，就提高了事前準(zhǔn)備和維護(hù)等作業(yè)效率。機(jī)床間的空間能夠縮小至傳統(tǒng)六軸機(jī)器人的一半以下。
除此之外，那智不二越還發(fā)布了MR35（負(fù)載為35千克）、MR50（負(fù)載為50千克）兩款可在狹小空間和有障礙物場(chǎng)所的應(yīng)用場(chǎng)合使用的工業(yè)機(jī)器人。
OTC七軸工業(yè)機(jī)器人
日本DAIHEN集團(tuán)歐地希推出了最新的七軸機(jī)器人（FD-B4S、FD-B4LS、FD-V6S、FD-V6LS、FD-V20S）。由于有第七軸的回轉(zhuǎn)，它們可以實(shí)現(xiàn)像人的手腕一樣的扭轉(zhuǎn)動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)一周以上的焊接；另外，七軸機(jī)器人（FD-B4S、FD-B4LS）將焊接電纜內(nèi)藏于機(jī)器人本體，因此在示教作業(yè)時(shí)無(wú)需在意機(jī)器人與焊接夾具及工件間的干涉，動(dòng)作非常順暢，焊接姿態(tài)自由度也得到了提高，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)器人因與工件或焊接夾具的干涉而造成無(wú)法進(jìn)入焊接的缺憾。
Rethink Robotics的Baxter和Sawyer
Rethink Robotics是協(xié)作機(jī)器人的先驅(qū)，其中，最先開(kāi)發(fā)的Baxter雙臂機(jī)器人，兩個(gè)手臂均擁有七個(gè)自由度，單臂最大工作范圍為1210毫米，Baxter可同時(shí)處理不同的兩項(xiàng)任務(wù)以增加適用性，或者實(shí)時(shí)處理同一任務(wù)以實(shí)現(xiàn)輸出最大化。
去年推出的Sawyer則是單臂七軸機(jī)器人，其柔性關(guān)節(jié)采用了相同的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，但其關(guān)節(jié)所采用的驅(qū)動(dòng)器被重新設(shè)計(jì)，使其更小巧。由于采用了七軸的設(shè)計(jì)，并且工作范圍擴(kuò)展至100毫米，因此能完成負(fù)載更大的工作任務(wù)，載荷可達(dá)到4千克，比Baxter機(jī)器人2.2千克的有效載荷大了不少。
雅馬哈七軸機(jī)器人YA系列
2015年，雅馬哈推出了“YA-U5F”、“YA-U10F”、“YA-U20F”3款七軸機(jī)器人，這些機(jī)器人均通過(guò)新型控制器“YA-C100”進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。
7軸機(jī)器人帶有相當(dāng)于人類(lèi)肘部的E軸，因此可自如完成彎曲、扭轉(zhuǎn)、伸展等動(dòng)作。即使在6軸以下機(jī)器人難以實(shí)施作業(yè)的狹窄間隙，也可順利完成作業(yè)及設(shè)置。另外還可實(shí)現(xiàn)低半蹲姿勢(shì)以及繞到裝置背部的動(dòng)作。采用中空構(gòu)造的致動(dòng)器，將裝置電纜和空氣軟管內(nèi)置于機(jī)械臂內(nèi)，不會(huì)干擾到周邊的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)緊湊型生產(chǎn)線(xiàn)。
此外，臺(tái)灣財(cái)團(tuán)法人精密機(jī)械研究發(fā)展中心也已研發(fā)出雙臂七軸機(jī)器人原型，期能助臺(tái)灣業(yè)者打造3C電子制造的生產(chǎn)利器，并縮小國(guó)內(nèi)外技術(shù)差距。
國(guó)產(chǎn)七軸機(jī)器人來(lái)了，能否實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)？
中國(guó)七軸工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代初，當(dāng)時(shí)項(xiàng)目的領(lǐng)軍人物正是我國(guó)已故的著名機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)家、中國(guó)工程院院士張啟先，張啟先院士的主要貢獻(xiàn)之一便是完成了七自由度冗余機(jī)器人樣機(jī)的研制。
我國(guó)已故的著名機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)家、中國(guó)工程院院士張啟先
上世紀(jì)80年代末，由于研制難度及其之大，國(guó)際上研制出七自由度冗余機(jī)器人樣機(jī)的國(guó)家寥寥無(wú)幾。而張啟先院士率領(lǐng)課題組經(jīng)過(guò)幾年的艱苦拼搏，在1993年年底完成了首臺(tái)七自由度冗余機(jī)器人樣機(jī)的研制，并一次通過(guò)“863”課題驗(yàn)收和部級(jí)鑒定。
一種典型的冗余手臂
盡管我國(guó)在冗余自由度機(jī)器人方面取得一定成果，但主要停留在學(xué)術(shù)論文、科研報(bào)告和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的階段，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)品化發(fā)展，這無(wú)疑制約了我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)品向高端產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)的步伐。
作為國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的龍頭企業(yè)，新松率先在2015年工博會(huì)上發(fā)布了首款國(guó)產(chǎn)七軸工業(yè)機(jī)器人，其自身重量為29千克，負(fù)載為5千克，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.02毫米，工作半徑可達(dá)800毫米。它具備快速配置、牽引示教、視覺(jué)引導(dǎo)、碰撞檢測(cè)等功能，特別適用于布局緊湊、精準(zhǔn)度高的柔性化生產(chǎn)線(xiàn)，滿(mǎn)足精密裝配、產(chǎn)品包裝、打磨、檢測(cè)、機(jī)床上下料等工業(yè)操作需要。
目前，我國(guó)絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人企業(yè)還尚未發(fā)布七軸工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，其中有一部分表示正在研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，會(huì)在年內(nèi)有相關(guān)產(chǎn)品問(wèn)世，而另有一些企業(yè)則表示對(duì)七軸工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品有關(guān)注，但尚未計(jì)劃設(shè)計(jì)研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。
我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在七軸工業(yè)機(jī)器人的理論研究有了很大進(jìn)步，而商業(yè)化產(chǎn)品方面仍與國(guó)外有較大差距。究其原因，主要有以下兩個(gè)方面：
一是自主創(chuàng)新能力弱。缺乏核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性成果和創(chuàng)新理念，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人總體技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平相比，差距在十年以上。
二是企業(yè)盈利能力較低，研發(fā)資金短缺。核心零部件技術(shù)的缺失導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本高企，加之外資廠商紛紛降價(jià)，2015年70%以上企業(yè)的本體業(yè)務(wù)處于虧損狀態(tài)。
據(jù)專(zhuān)家講，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人總體技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平相比，差距在十年以上。國(guó)產(chǎn)七軸工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)，表明我們?cè)诠I(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)正在加速，但是我們應(yīng)該有清醒的認(rèn)識(shí)，差距真實(shí)存在，想要彎道超車(chē)，我們需要盡快攻克核心技術(shù)難關(guān)，同時(shí)也要重視人工智能、感知、識(shí)別、驅(qū)動(dòng)和控制等下一代技術(shù)的研發(fā)。
