.76， 智能系统学报 第12卷 人已应用于精密装配、包装、打磨、检测及机床上下 划，分析结果表明该机器人具有良好的灵活性、可 料等生产制造领域。协作型机器人具有轻质、大负 操作性和避障能力，为研发七自由度协作型机器人 载自重比、灵活易用、安全性高、能够与人协同作业 提供了设计理论依据。 等特点。此项技术不仅有益于提高大型企业的生 产效率，也为中小型企业提高自动化作业水平提供 1机器人构型分析 了技术支撑。传统工业机器人与协作型机器人应 因协作型机器人与人共享工作空间，为保障操 用领域比较如表1所示。 作人员的安全，防止安全事故的发生，机器人就必 表1传统工业机器人与协作型机器人应用领域比较 须具有安全性，而实现安全性的基本保障就是机构 Table 1 Comparison of traditional robots and 设计刀。 collaborative robots in applications 根据自由度的不同，工业机器人可以分为非冗 传统工业机器人 协作型机器人 余自由度机器人和冗余自由度机器人。非冗余自 由度机器人的缺点是运动不灵活，无法躲避运动灵 制造模式 用户定制、多品种、 单一品种、大批量 中小批量 活性差的区域，不能躲避任务空间中的障得等劉。 如六自由度机器人由于不具有冗余自由度，因此在 工作环境 封闭、结构化 半结构化、与人协作 与人隔离 每个位姿仅有一组关节值（或有多组关节值，但考 焊接、物料搬运、 精密装配、检测、 虑到位姿运行的连续性，一般仅有一组是可行的)， 应用领域 装配、喷涂等 产品包装、打磨等 因此机器人在指定位姿必须以特定的位形实现，无 避障能力。如图1所示，对于UR5机器人，其大臂 目前，协作型机器人已成为机器人领域的研究 和小臂一直形成一个竖直平面内的三角形，因此， 热点，并且已有部分厂商开发出了相应的产品，具 机器人肘部总是处在较高位置，妨碍机器人在高度 有代表性的有Universal Robots公司的UR3\51 方向上对障碍物的避障。 lo)、KUKA公司的LBRiiwa、Rethink Robotics公 司的Baxter和Sawyer、ABB公司的YuMi、沈阳新松 的柔性多关节机器人以及Smokie Robotics公司的 OUR等[。这些机器人都具有灵活易用、安全性 高、能与人协同作业等特点。 目前协作型机器人尚无统一的定义。KUKA公 此面总是垂 司将LBRiiwa机器人定义为可与人并肩作业的“智 直于水平面 能型工业助手”[a。Universal Robots公司对协作型 图1UR5机器人与障碍物干涉示意图 机器人的定义是一种易于安装和使用的能够与工 Fig.1 Demonstration of the UR5 manipulator interfere 人合作生产的轻型机器人[)。ABB公司则将协作 with obstacles 型机器人YMi定义为能够满足电子消费品行业对 冗余自由度机器人克服了非冗余自由度机器人的 柔性和灵活制造的需求，可应用于小件装配作业 缺点，对于任务空间中的点，关节空间可以有无穷多个 (尤其是3C产品)的能与人协同作业的机器人[。 解，或者说有无穷多个位形与之对应。另外，冗余自由 国际标准化组织(IS0)于2016年制定的IS0/TS 度构型具有良好的柔顺性，即机械臂在空间六个自由 15066标准对“协同操作”(collaborative operation)的 度方向都具有良好的运动能力，故其灵活性高、避障能 定义为：特殊设计的机器人系统与操作人员在协同 力强，但其缺点是运动学逆解较为复杂[少0 作业空间内进行的工作6。综上所述，协作型机 许多学者对七自由度机器人构型问题做了大 器人可描述为：一种能够与人协同作业，具有大负 量的研究[-)，如Tsai等[劉对机器人位置和姿态构 载自重比、安全性高、灵活易用、用户友好等特点的 型进行了综合，提出了最佳位置构型和最佳姿态构 智能轻型工业机器人。 型：原培章等采用位置空间和奇异空间同时评价 本文介绍了协作型机器人的特性并以KUKA 七自由度机器人的机构选型并制作了机器人的选 开发的LBR iiwa协作型机器人为研究对象，对其构 型图谱。目前，七自由度机器人中有两种公认的最 型进行分析并利用Denavit-Hartenberg法建立了相 佳构型设计，如图2(b)、(©)所示。这两种构型都 应的运动学模型。在MATLAB环境下，利用 是在具有最优灵活工作空间的六自由度机器人构 Robotics Toolbox工具箱对机器人灵活性和可操作性 型（见图2(a))中添加了一个转动副。这两种构型 指标进行分析，给出了机器人条件数和可操作度在 都能产生自运动而不改变手部的位姿，从而完全消 工作空间内的分布图，分析了该机器人的灵活性和 除肩部和腕部出现的奇异情况，而且有利于避开障 可操作性，最后对其在狭小空间内作业进行轨迹规 碍物。而图2(b)所示构型在各方向上的灵活性基人已应用于精密装配、包装、打磨、检测及机床上下 料等生产制造领域。 协作型机器人具有轻质、大负 载自重比、灵活易用、安全性高、能够与人协同作业 等特点。 此项技术不仅有益于提高大型企业的生 产效率，也为中小型企业提高自动化作业水平提供 了技术支撑。 传统工业机器人与协作型机器人应 用领域比较如表 １ 所示。 表 １ 传统工业机器人与协作型机器人应用领域比较 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔｓ ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 传统工业机器人 协作型机器人 制造模式 单一品种、大批量 用户定制、多品种、 中小批量 工作环境 封闭、结构化、 与人隔离 半结构化、与人协作 应用领域 焊接、物料搬运、 装配、喷涂等 精密装配、检测、 产品包装、打磨等 目前，协作型机器人已成为机器人领域的研究 热点，并且已有部分厂商开发出了相应的产品，具 有代表性的有 Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｒｏｂｏｔｓ 公司的 ＵＲ３ ＼ ５ ＼ １０ ［３］ 、 ＫＵＫＡ 公司的 ＬＢＲ ｉｉｗａ、Ｒｅｔｈｉｎｋ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ 公 司的 Ｂａｘｔｅｒ 和 Ｓａｗｙｅｒ、ＡＢＢ 公司的 ＹｕＭｉ、沈阳新松 的柔性多关节机器人以及 Ｓｍｏｋｉｅ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ 公司的 ＯＵＲ 等［４］ 。 这些机器人都具有灵活易用、安全性 高、能与人协同作业等特点。 目前协作型机器人尚无统一的定义。 ＫＵＫＡ 公 司将 ＬＢＲ ｉｉｗａ 机器人定义为可与人并肩作业的“智 能型工业助手” ［４］ 。 Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｒｏｂｏｔｓ 公司对协作型 机器人的定义是一种易于安装和使用的能够与工 人合作生产的轻型机器人［３］ 。 ＡＢＢ 公司则将协作 型机器人 ＹｕＭｉ 定义为能够满足电子消费品行业对 柔性和灵活制造的需求，可应用于小件装配作业 （尤其是 ３Ｃ 产品）的能与人协同作业的机器人［４］ 。 国际标准化组织（ ＩＳＯ） 于 ２０１６ 年制定的 ＩＳＯ／ ＴＳ １５０６６ 标准对“协同操作”（ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）的 定义为：特殊设计的机器人系统与操作人员在协同 作业空间内进行的工作［５－６］ 。 综上所述，协作型机 器人可描述为：一种能够与人协同作业，具有大负 载自重比、安全性高、灵活易用、用户友好等特点的 智能轻型工业机器人。 本文介绍了协作型机器人的特性并以 ＫＵＫＡ 开发的 ＬＢＲ ｉｉｗａ 协作型机器人为研究对象，对其构 型进行分析并利用 Ｄｅｎａｖｉｔ⁃Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ 法建立了相 应的 运 动 学 模 型。 在 ＭＡＴＬＡＢ 环 境 下， 利 用 Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｔｏｏｌｂｏｘ 工具箱对机器人灵活性和可操作性 指标进行分析，给出了机器人条件数和可操作度在 工作空间内的分布图，分析了该机器人的灵活性和 可操作性，最后对其在狭小空间内作业进行轨迹规 划，分析结果表明该机器人具有良好的灵活性、可 操作性和避障能力，为研发七自由度协作型机器人 提供了设计理论依据。 １ 机器人构型分析 因协作型机器人与人共享工作空间，为保障操 作人员的安全，防止安全事故的发生，机器人就必 须具有安全性，而实现安全性的基本保障就是机构 设计［７］ 。 根据自由度的不同，工业机器人可以分为非冗 余自由度机器人和冗余自由度机器人。 非冗余自 由度机器人的缺点是运动不灵活，无法躲避运动灵 活性差的区域，不能躲避任务空间中的障碍等［８］ 。 如六自由度机器人由于不具有冗余自由度，因此在 每个位姿仅有一组关节值（或有多组关节值，但考 虑到位姿运行的连续性，一般仅有一组是可行的）， 因此机器人在指定位姿必须以特定的位形实现，无 避障能力。 如图 １ 所示，对于 ＵＲ５ 机器人，其大臂 和小臂一直形成一个竖直平面内的三角形，因此， 机器人肘部总是处在较高位置，妨碍机器人在高度 方向上对障碍物的避障。 图 １ ＵＲ５ 机器人与障碍物干涉示意图 Ｆｉｇ．１ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＵＲ５ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ ｗｉｔｈ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ 冗余自由度机器人克服了非冗余自由度机器人的 缺点，对于任务空间中的点，关节空间可以有无穷多个 解，或者说有无穷多个位形与之对应。 另外，冗余自由 度构型具有良好的柔顺性，即机械臂在空间六个自由 度方向都具有良好的运动能力，故其灵活性高、避障能 力强，但其缺点是运动学逆解较为复杂［９－１０］ 。 许多学者对七自由度机器人构型问题做了大 量的研究［９－１１］ ，如 Ｔｓａｉ 等［８］ 对机器人位置和姿态构 型进行了综合，提出了最佳位置构型和最佳姿态构 型；原培章等［１１］采用位置空间和奇异空间同时评价 七自由度机器人的机构选型并制作了机器人的选 型图谱。 目前，七自由度机器人中有两种公认的最 佳构型设计，如图 ２（ ｂ）、（ ｃ） 所示。 这两种构型都 是在具有最优灵活工作空间的六自由度机器人构 型（见图 ２（ａ））中添加了一个转动副。 这两种构型 都能产生自运动而不改变手部的位姿，从而完全消 除肩部和腕部出现的奇异情况，而且有利于避开障 碍物。 而图 ２（ｂ）所示构型在各方向上的灵活性基 ·７６· 智 能 系 统 学 报 第 １２ 卷