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协作机器人的始与终——中国协作机器人将走向何方?

分类:行业资讯 2021-06-01 11:26:43

距离 2008 年丹麦优傲机器人公司研制出世界上第一台轻量化、小型化、人机协作机的六关节协作机器人 UR5 至今,已经过去了 12 年的时间。


当前,从为适应中小型企业需求而产生的概念性产品,协作机器人已经成功进化为战略性产品,从世界上第一家专注协作机器人的企业优傲机器人公司诞生到如今,全球协作机器人厂商数量已经超过 120 家。通过数据,我们看出协作机器人行业似乎发展的不错,然而,通过对比协作机器人行业国内外头部公司的产品,我们却可以发现:中国国内协作机器人行业的发展似乎没有我们想象中那么乐观。


单单从国内外几家协作机器人行业头部公司的产品外形和参数我们就可以看出:协作机器人厂商产品同质化非常严重,大多数公司所“研发”的协作机器人仍然是以优傲所研发的产品为主要模仿对象,协作机器人研发初期敢于创新实验的精神好像在试错成本的压迫下逐渐消失殆尽。


   一、协作机器人的起步与发展(国外)   


被大家所公认的协作机器人两大鼻祖优傲和 Rethink Robotics 是较早开展协作机器人研制的公司。优傲于 2008 年推出全球首款协作机器人 UR5,UR5 由6个自由度的关节组成,自重 18.4kg,有效负载为 5kg,工作范围 800mm,是一款重复定位精度在 ±0.1mm 的小型协作机器人。从外形来讲,UR5 更像是缩小版的工业机械臂,在缩小机械臂体积的同时其有效负载也同比下降,但相应的,其对人体的伤害也同比下降,达到了协助工人安全作业、减小机器人占地面积和降低机器人制作成本以满足中小企业需求的目的,从这一点上来讲,UR5 无疑是成功的。


与优傲推出的小型单机械臂式协作机器人不同,Rethink Robotics 一开始的研究方向就是研发双机械臂协作机器人,RethinkRobotics 2011年推出的主力产品 Baxter 由 5 部分组成包括:两个 7 自由度、工作范围为 1m 的机械臂,一张可以转动、点头的“脸”(置于基座上方的显示屏),头上的摄像头,手腕上的摄像头,头顶的 12 个超声波传感器。最值得一提的是,平板式脸部和手腕处摄像头的创新使 Baxter 拥有了更多与人相似的感知能力和反应能力,能更好地与人协作,不同于工业机械臂的特殊设计也让人消除恐怯心理,更容易对其产生亲切感。从外形和构思来讲,Baxter 可以说是协作机器人研发创新迈出的重要一步。


2012 年,优傲推出了其二代协作机器人 UR10,同样由 6 个自由度的关节组成,自重 28.9kg,有效负载已达到 10kg,重复定位精度在 ±0.1mm。


优傲接连商业上的成功,Rethink Robotics 别具一格的外形设计和无需编程协作机器人(Cobot)的概念,引燃了协作机器人行业,也吸引了以“四大家族“为首的传统工业机器人企业目光,一大批工业机器人企业开始尝试涉足这一领域。


2013年,作为工业机器人四大家族之一的库卡发布了其首款协作机器人 LBR iwwa,相比 UR10,LBR iwwa 具备 7 个自由度,自重同 UR5一样控制在了 30kg 以下,在有效负载方面,则分了 7kg 和 14kg 两个不同的量级,在自重和 UR10 相差不多的情况下有效负载有了 4kg 的提升,库卡成为当时首家也是唯一一家提供 10kg 以上有效负载的轻型机器人制造商。与此同时,库卡也还是第一个在协作机器人上加装力觉传感器的公司。


2014 年,四大家族之一的发那科也发布了其第一个协作机器人系列 CR 系列,包括 CR-35iA、CR-4iA、CR-7iA、CR-7iA/L几个型号,这几个型号均采用了6轴单臂机器人的设计,CR-35i A有效负载 35kg,自重 990kg,工作范围 1813mm,重复定位精度 ±0.03mm,从其外形和参数上看更像是其工业机器人的 mini 版,也更加适用于大型的包装和码垛。而 CR-35iA 的 mini 版 CR-4iA、CR-7iA 及 CR-7iA/L 无论是从外形还是从参数上,都更加接近当时大家对协作机器人安全、轻便概念的理解。R-4iA、CR-7iA 及 CR-7iA/L 是以 CR-35iA 为基础设计的,因此在外形上同样采用了6轴单臂机器人的设计,他们的有效负载和自重比分别是 4/48kg、7/53kg、7/55kg,重复定位精度均为 ±0.01mm。不得不说,虽然发那科发布的协作机器人在外形方面没有太多突破,但其推出的新品协作机器人却以一己之力拉高了协作机器人整个行业的重复定位精度标准。


2015 年,已经在协作机器人领域摸爬滚打了一圈的协作机器人鼻祖优傲和 RethinkRobotics 陆续推出自家新品,剩余两家四大家族 ABB 和安川也按耐不住开始涉足协作机器人领域,发布自己家的新品协作机器人。


优傲推出其新品 UR3,UR3 和第一台协作机器人 UR5 形式相同,只在尺寸和负载方面有些许差异。UR3 的自重仅为 11kg,然而其有效负载却高达 3 公斤,工作范围 50cm,所有腕关节均可 360° 旋转,而末关节可作无线旋转,UR3 机体小巧、灵活轻便,是第一款台式协作机器人;Rethink Robotics 在 Baxter 失败后在 2015 年选择向成本妥协,推出了其7轴单臂协作机器人 Sawyer。较 Baxter 相比 Sawyer 体型更小,自重 19 公斤,具备 7 个自由度,有效负载 4kg,工作范围 126cm;ABB 则在 2015 推出了双臂协作机器人 Yumi,双臂 Yumi 整体重量 38kg,采用了双臂 14 轴(单臂 七 轴)的设计,有效负载 0.5kg,工作范围 500mm,Yumi 的出现可以说填补了当时轻量化协作机器人的市场空白;安川在 2015 年推出了其首款协作机器人 MotoMINI-HC10 和 MotoMINI,两个都是 6 个自由度关节的设计,MOTOMAN-HC10 有效负载 10kg,工作范围 1200mm,MotoMINI 自重 4.3kg,工作范围 246mm,有效负载 0.5kg,重复定位精度在 ±0.02mm,是世界级的工业用小型 6 轴机器人;


研发双臂协作机器人的先行者 Rethink Robotics 在推出 Baxter 时,为节省成本对一系列硬件选择的妥协最终导致了机械臂性能的弱化,使其在传统小型化机械臂工业领域的竞争中以失败告终,最终选择向现实妥协发布单臂版协作机器人 Sawyer。而 ABB 的双臂机器人 Yumi 虽然在外形和技术上得到了良好的展现,但由于当时的 ABB 推行无人工厂,协作机器人与其无人工厂的理念相悖,因此双臂 Yumi 基本处于闲置状态并没有得到很好的应用。也许是两大公司的以身试“险”,让后来者投鼠忌器,自 2017 年 ABB 推出其单臂协作机器人 Yumi 之后,大部分协作机器人厂商的研发都以单臂协作机器人为主,很少有厂商推出双臂协作机器人。


2017 年,最让人耳目一新的是来自韩国的斗山机器人,在经过众多业界优秀研发人员 3 年的研究后发布了其自主创新的新品协作机器人 M0609、M0617、M1013 和 M1509,四个型号的协作机器人均有 6 个自由度,有效负载分别为 6kg、6kg、10kg、15kg,工作范围分别为 900mm、1700mm、1300mm 和 900mm。这四型号的协作机器人每个轴上都安装有高性能扭矩传感器,以确保机器人的精度和灵活性,适用于组装、检验、胶合、包装等各种产业及工艺。


值得一提的是,斗山机器人设计研发时主要考虑的是在制造领域的应用,但或许是由于设计的仿生化,斗山机器人出乎意料地在餐饮业、服务业也深受欢迎,许多炸鸡、炒年糕的著名连锁店在油炸等高温环节引入机器人进行协作,家具、物流、消费品方面的需求也越来越多,其应用范围在不断扩大。


协作机器人两大鼻祖 UR 和 Rethink Robotics 以及工业机器人四大家族发布的协作机器人产品和研究方向为后期其他中小型协作机器人企业研究和生产协作机器人产品的方向指明了方向,许多公司对协作机器人的研究都是在他们的基础上进行的,甚至很多都是照抄他们协作机器人的外形和结构,很少有创新。


现在我们纵观各个公司的协作机器人产品,再很少看到有像斗山公司一样完全自主创新的、让人眼前一亮的协作机器人外形出现。

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   二、国内协作机器人发展历程   


在中国众多协作机器人厂商中,遨博可以说是最早进入协作机器人行业的厂商。遨博董事长魏洪兴早在 2010 年就以科研人员的身份带领科研团队在美国开始研发协作机器人。在国内协作机器人市场仍是一片空白的 2013 年,遨博智能科技有限公司的前身 Smokie Robotics 就推出第一代协作机器人 OUR-1,亮相 ICR/CES 等国际展会现场。


2014 年,遨博智能美国研发团队回归中国,2015 年遨博(北京)智能科技有限公司成立,成为我国首家致力于协作机器人研发、生产和销售的企业,2015 年 10 月,第二代遨博智能协作机器人 AUBO-i5 全球发售。虽然 AUBO-i5 是当时国内面世的首款具有核心自主知识产权的轻型协作机器人,实现了从操作系统、控制系统到关键部件的整机全国产化,并通过欧盟 CE 认证。其推出的国内首个自主可控的及核心部件国产化的i系列协作机器人,后续又先后通过 NRTL,CE、KCs 等国际认证。成为国内首家以协作机器人形态产品获得 ISO、13849 PL=d 认证、ISO10218 认证的产品,23 种安全功能全部获得 PL=dCat.3 认证。遨博协作机器人凭借高安全、易操作、开放性等特点,开始广泛应用于 3C 电子、汽车零部件、家电、五金、医疗、教育、生活服务等多个行业领域。


也同样是在 2015 年,IEEE 评选全球 11 家最具创新性和成长性的协作机器人企业,遨博智能成为亚洲唯一上榜企业。2016 年,遨博智能完成从技术到量产的蜕变,成为国内首家实现量产的协作机器人企业。2017 年,遨博智能国内产销已达 800 台,销售收入超 5000 万。同时,遨博智能成为当时国内唯一一家成功出口欧洲和美国的协作机器人企业,美国和欧洲市场销量持续增加。目前 AUBO-i5 协作机器人重复定位精度为 ±0.02 毫米,绝对定位精度 ±0.2 毫米,与全球工业机器人“四大家族”精度保持一致。


从 2015 年创办公司至今,遨博新品频发,科研创新突破明显,市场信心雄厚。旗下协作机器人的核心零部件已经全部国产化,不用在核心技术上被“掐着脖子”。

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新松机器人自动化股份有限公司作为全球机器人产品线最全厂商之一,拥有国内最大机器人产业化基地,新松机器人隶属中国科学院,是以机器人技术为核心,致力于全智能产品及服务的高科技上市企业。全球设立了八大研发机构,形成以自主核心技术、核心零部件、核心产品及行业系统解决方案为一体的全产业价值链。


新松机器人于 2015 年开始踏入协作机器人行业。2015 年 11 月,中科新松推出了国内首台自主研发的 7 自由度协作机器人。7 轴柔性多关节机器人具备快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测等功能,特别适用于布局紧凑、精准度高的柔性化生产线,满足装配、产品包装、打磨、检测、机床上下料等工业操作需要。2019 年,在汉诺威工业展会上,新松展出了自己的最新产品 HSCR5 复合机器人和 DSCR3 双臂协作机器人。HSCR5 复合机器人是当时国内首台智能柔性 7 轴复合机器人,DSCR3 双臂协作机器人是新松自主研发设计的国内首台双臂协作机器人,集成了 2 个 7 自由度协作机器人并配置头部视觉,重复定位精度达到 ±0.02mm,达到国际先进水平。

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成立于 2015 年的珞石(北京)科技有限公司,发展势头迅猛,成立六周年来,接连发布XB轻型六轴工业机器人系列、六轴柔性机器人 xMate、七轴柔性机器人 xMate Pro。


其中的柔性机器人 xMate 可以说是中国协作机器人行业一次成功的大胆创新。xMate 系列柔性机器人分为六轴 xMate 和七轴 xMate Pro 两个版本, xMate3 和 xMate3 Pro 工作范围均为 760mm,有效负载均为 3kg,自重分别为 19kg、20kg;xMate7 和 xMate7 Pro 工作范围均为 850mm,有效负载均为 7kg,自重分别为 27kg、29kg;四个型号的重复定位精度均为 ±0.03。


在技术与应用方面,xMate 系列拥有与传统工业机器人、协作机器人不同的软硬件体系结构,采用基于关节力闭环的力位混合控制技术,每个关节都配置高精度扭矩传感器,兼具高动态性的力控能力和柔顺控制能力,能够最大程度复现人类手臂般的灵活运动,不仅应用在柔顺力控装配、精密打磨等复杂工业领域场景,也为医疗、教育、商业等领域提供高效解决方案。在外形方面,xMate 同样优秀,xMate 于 2021 年凭借出色的设计理念、全球前沿的技术特性、卓越的产品性能,在近万件参评产品中脱颖而出,成功斩获全球知名的设计评选,有“设计界的奥斯卡”之称的德国红点产品设计大奖。在系统集成研发方面,针对初级使用者的需求,xMate 搭配图形化操作,用户可以像使用手机一样使用 xMate,十分简单易用;对于科研用户的需求,xMate 开放的底层控制能力,可以为科研用户提供优秀的二次开发平台,为探索机械臂全新应用方向提供基础平台支持。


此外,珞石科技已于 2015 年 7 月获梅花天使等 380 万元天使轮融资,2016 年 5 月获德联资本 1500 万元 Pre-A 轮融资,2017 年 11 月获清控银杏、德联资本 4000 万元 A 轮融资,2018 年 9 月获顺为资本、金沙江联合资本、清控银杏、梅花天使创投 1.6 亿 B 轮融资,2020 年 8 月获襄禾资本 1 亿元 C1 融资,发展势头异常迅猛。

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成立于 2014 年的艾利特(苏州)机器人有限公司是由北京航空航天大学机器人所及清华大学精仪系博士、博士后发起成立的企业,专注于智能工业机器人的研发与制造十五年之久。2016 年 6 月开发出其第一款机器人控制系统,2018 年艾利特推出六轴和七轴协作机器人 EC 系列,EC 系列的协作机器人有效负载在 3-12kg 之间,自重在 13-31kg 之间。2020 年推出 CS 系列协作机器人对标 UR 的 e 系列产品,该系列产品在基础架构、编程方式、安全规定、核心算法等方面进行软硬件性能的全面提升,增强其协作机器人产品的安全性、易操作性、开放性。


艾利特在 2018 年 1 月获策源创投领投,元禾原点跟投 5000 万人民币的 A 轮融资,2019 年获国中创投领投,元禾原点、策源创投、索道资本跟投的近亿 B 轮融资, 2020 年年末获 2 亿元 B1 轮融资。

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成立于 2015 年的越疆科技,主要业务是做机械手臂,其产品主要是桌面级机械臂和协作式机械臂。但不同于其他机器人公司通过购买零部件回来后进行集成,越疆科技直接研发伺服驱动、控制系统,自主率较高。在过去 5 年的时间里,越疆科技推出了多款高性价比协作机器人,成为业内首家拥有 0.5kg 到 16kg 全产品矩阵的企业。


值得一提的是越疆科技于 2020 年在发布协作机器人的同时还发布了其创新产品——协作机器人“安全皮肤”DobotSafeSkin。相对于以往市场上碰撞后感知的被动式响应方案,越疆安全皮肤采用碰前预感知技术,无需提前预警降速。可穿戴式碰撞检测,柔性,覆盖面积大,任何一个角度的入侵都可以感知到,在保证高效生产的同时,最大化保障了人的安全以及机器的作业效率。


越疆科技曾获深创投和前海母基金近 7000 万元 A 轮投资,在 2018 年获松禾资本领投的 1 亿元 A+ 轮融资,2021 年获中金资本领投,中车资本、温氏资本、招商局资本、云晖资本、势能资本以及老股东跟投的 3.2 亿元新一轮融资。

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成立于 2014 年的节卡机器人是由朱向阳教授领导 10 名教授组成,主要成员来自于上海交通大学机器人所等专业从事机器人及智能制造领域的权威专家和专业研发人员,拥有一支 12 名企业博士后及 50 名机械、控制领域的资深工程师组成的工程师团队。


2017 年,节卡推出 6 轴小助系列协作机器人(JAKA Zu),JAKAZu 有 3Kg、7Kg 和 12Kg 三个规格。在机器人本体设计上,小助使用了一体化关节技术,对电机、减速器、驱控板等进行了整体优化,减轻了机器人本体自重。


2019 年,节卡推出 JAKA Zu S 系列产品,JAKA Zu S 系列采用了多轴力传感器一杆子方案,实现力控制阻抗/导纳、力位混合控制,整个算法包括力控应用包、牵引示教、碰撞检测、恒力跟踪、法向跟踪、速度模式等,运用最合理最经济的一杆子方案来实现客户所需要的关于力控方面所有应用的全覆盖。实现了可视化编程,示教 APP 能实时显示外界接触力值,方便操作使用;满足不同应用需求的快速适配,覆盖更多应用场景;拥有更灵敏的力觉反馈等优势, 为客户提供更安全的工作环境。


2020 年,节卡推出新一代节卡 All-in-one 共融系列协作机器人——集成了节卡机器人自主研发的 JAKA Lens 视觉技术的六轴协作机器人。


2021 年,节卡推出高性价比的协作机器人 JAKA C 系列,该系列主打 JAKA C5(负载5kg)和 JAKAC7(负载7kg)两款产品,重复定位精度为 ±0.05mm。


节卡机器人在 2015 年获得 1500 万元 A 轮融资;2018 年获得 6000 万元的A+轮融资;2019 年 4 月获得亿元 B 轮融资,2021 年 1 月 14 日,节卡机器人宣布完成 C 轮融资,金额超 3 亿元人民币。

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创立于 2005 年的大族电机是上市公司大族激光的全资控股子公司,2014 年,大族机器人研究院正式启动。2017 年,大族电机正式宣告将机器人事业部独立出来,成立大族集团全资子公司——深圳市大族机器人有限公司。


2017 年,大族机器人推出首款单臂协作型六轴机器人,Elfin 机器人根据负载的不同分了三个不同的型号:Elfin 3(负载 3kg)、Elfin5(负载 5kg)和 Elfin 10(负载 10kg),他们的自由度均为 6,重复定位精度都是 ±0.03。外壳主要材料是铝合金。


2021 年,大族机器人推出 MAiRA 系列——集合了 3D 视觉传感器、3D 声识技术(360 度全景传声器矩阵)、6-DOF 电子皮肤精准响应手势触控的智能协作机器人。


大族机器人在 2020 年完成 1.6 亿元 A 轮融资。

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国外协作机器人(早期).jpeg

国内协作机器人厂商产品.jpeg



通过总结各个协作机器人厂商生产的产品我们发现:在协作机器人概念刚刚兴起的早期阶段,国外各大厂商对协作机器人的外形和性能方面做了多样化的尝试,单臂六轴、单臂七轴、双臂七轴、小型桌面协作机器人、大型包装码垛机械臂、显示屏与机械臂相结合、摄像头与机械臂相结合、力矩传感区与机械臂相结合…


可以看出,早期的国外协作机器人厂商在摸索中进行了各种各样的大胆尝试。


中国的协作机器人厂商大多是出现在 2015 年左右,虽然中国国内协作机器人起步稍晚,但是通过图片归纳总结我们可以看到:国内协作机器人更新换代速度较快,几乎每个厂商每年都会推出新品。


如果深入观察我们就会发现,国内大多数协作机器人厂商所生产新品在外表和参数性能上似乎都有着较高重合度。虽然国内协作机器人厂商所推出的产品在重复定位精准度较国外早期的 0.1mm 有了较大幅度的提升,重复定位精准度基本稳定在 0.01-0.05mm 之间,但是其有效负载却均集中在 3-18kg 左右,多家公司所生产产品出现了撞型的情况,产品同质化比较严重,且国内大部分协作机器人外形与第一代协作机器人 UR5 极为相似,有些公司看起来更像是协作机器人零部件的集成商而不是研发者。


如果再往深处探寻,我们就会发现国内协作机器人的生产模式大部分都是:进口关键零部件+国产本体+半国产系统。目前,我国占协作机器人(工业机器人)成本比例高达 70% 的三大核心零部件,市场格局仍是主要被外资企业把持瓜分。虽然国内已出现了如汇川技术(伺服)、华中数控(控制、伺服)、中大力德(减速机)等快速成长的核心零部件自主品牌, 但目前,我国 85% 的减速器市场、90% 的伺服电机市场、超过80% 的控制系统市场仍被海外品牌占据。不论是在技术上还是价格上,国内协作机器人都受到了极大的掣肘,国产替代进口仍然有很长一段路需要走。但无论如何,国内的协作机器人厂商企业都应努力探索,掌握三大核心零部件的核心技术,避免后期出现像华为芯片一样被卡脖子的状况。

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目前,由于用人成本的的增加,协作机器人行业技术的成熟和应用场景的拓展,协作机器人被广泛应用于工业、医疗、物流、娱乐等各个方面。未来,随着协作机器人技术的发展、中国社会人口老龄化的日益加重、人口出生率的连续下跌和人口红利逐渐消失,协作机器人在中国将会有更大的市场。因此,国内个各大协作机器人厂商要抓住时机研发更具有场景普适性的协作机器人。例如在外观设计、场景案例上多下功夫。


系统集成是中国协作机器人崛起的重中之重,如果国内的集成商能够研发出像手机的安卓、ios 系统一样简单便捷的操作系统,将机器人不同的应用场景和用途有针对性开发成软件置于系统之中,让人们使用机器人像使用手机一样简单,那时,协作机器人的使用将不再局限于工业用途,寻常百姓家将成为协作机器人更加广阔的市场。



文章来源:机器人大讲堂

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