美国双臂协作机器人如何实现高效协同？

美国的机器人技术，特别是在工业自动化领域，一直处于全球领先地位，双臂协作机器人作为其中的一个前沿方向，代表了机器人从“替代”向“协作”和“增强”人类工作方式的深刻转变。

什么是双臂协作机器人？

双臂协作机器人，顾名思义，是拥有两条机械臂的协作机器人,它们通常具备以下核心特征：

1. 双臂协同工作：两条手臂可以独立运动，也可以像人手一样协同完成复杂任务，例如一只手固定工件,另一只手进行操作。
2. 人机协作：配备力矩传感器和先进的视觉系统，可以与人共享工作空间，在检测到碰撞或接近时能安全地停止或绕过,无需物理安全围栏。
3. 高灵活性：通过编程可以轻松切换不同的任务，适用于小批量、多品种的生产模式。
4. 易于编程：通常采用“示教编程”或图形化界面,即使没有专业机器人背景的操作员也能快速上手。

美国双臂协作机器人的主要特点与优势

相比于单臂机器人或传统工业机器人,美国公司的双臂协作机器人有其独特之处：

1. 极高的灵活性与适应性：

   • 模拟人手：双臂结构使其能够执行许多单臂机器人难以完成的任务，如拧螺丝、装配、包装、检测等,尤其是在需要双手配合的精细操作上优势明显。
   • 任务复杂度高：可以处理非结构化的任务，例如从杂乱的料箱中抓取零件,这需要强大的感知和规划能力。

2. 强大的感知与智能：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 深度集成AI与视觉：美国公司（如Aethon, Universal Robots等）非常注重将人工智能、机器视觉和力控技术深度融合，机器人不仅能“看到”，还能“理解”和“适应”环境变化。
   • 力反馈技术：通过关节力矩传感器，机器人可以感知接触力的大小和方向，从而进行精细的力控操作，如打磨、抛光或装配过盈配合的零件。

3. 强调人机交互与协作：

   • 安全设计：除了碰撞检测，还注重人机交互的流畅性，操作员可以方便地介入、引导机器人或共同完成任务。
   • 增强人类能力：其核心理念不是完全取代工人，而是作为“数字劳动力”或“智能助手”，承担重复、繁重或危险的工作，让人类工人专注于更高价值的决策、监督和创造性工作。

4. 软件生态与开放性：

   • 美国公司通常提供开放的软件开发工具包和API，允许第三方开发者为其开发应用程序,构建丰富的软件生态。
   • 云平台集成能力强，可以实现远程监控、数据分析和预测性维护。

美国主要的双臂协作机器人公司及产品

美国在双臂协作机器人领域虽然起步略晚于欧洲（如丹麦的UR），但发展迅速,并涌现出多家技术领先的公司。

Aethon (隶属于 Teradyne)

• 代表产品：Tug系列 (虽然Tug主要是自主移动机器人，但Aethon的理念是提供完整的自动化物流解决方案，其技术理念与协作机器人相通)、Fetch系列 (移动操作臂)。
• 特点：
  • 移动与操作结合：Aethon的强项在于将移动机器人和机械臂结合，创造“会走路的机器人”，其双臂机器人（或移动操作臂）可以在仓库、工厂内自主导航，并完成货物的分拣、搬运和装卸。
  • 高度自主：专注于在非结构化环境中实现高度自主的物流和物料搬运任务。
  • 应用场景：仓储物流、电子商务订单履行、制造业内部物流。

Universal Robots (UR) (隶属于 Teradyne)

• 代表产品：UR20, UR16e, UR10e (虽然这些是单臂，但UR的平台理念是模块化和可扩展，其软件和控制器支持未来更复杂的双臂或多臂系统，并且市场上已有基于UR平台开发的双臂解决方案)。
• 特点：
  • 市场领导者：UR是全球协作机器人市场的先驱和领导者,其单臂机器人市场份额极高。
  • 易用性：以其极其简单直观的编程界面而闻名，“3-2-1”设置法让部署变得非常快速。
  • 开放平台：提供完整的软件工具包和社区支持,鼓励创新应用。
  • 双臂潜力：虽然目前主力产品是单臂，但其强大的软件和硬件平台是构建双臂协作系统的基础,许多系统集成商利用UR的机械臂和控制器开发定制化的双臂工作站。

Sarcos Robotics

• 代表产品：Guardian XO® 和 Guardian S®。
• 特点：
  • 外骨骼与机器人的融合：Sarcos的产品非常独特，它们既是给人类穿的外骨骼，也可以是远程操作的机器人,其双臂系统由操作员在安全环境中通过远程临场技术进行控制。
  • 人机共融：强调“人在环路中”（Human-in-the-loop）的控制模式，将人的智能、判断力与机器人的力量、耐力和精确度完美结合。
  • 高危环境应用：主要面向国防、公共安全、能源、建筑等危险或人难以到达的场景，如炸弹处理、核设施维护、高空建筑作业等。

Apptronik

• 代表产品：Apollo (这是一个通用人形机器人平台，拥有双臂、双腿和躯干)。
• 特点：
  • 人形机器人平台：Apollo是一个模块化、可重构的人形机器人平台，其双臂是其核心组成部分,设计目标是能够在人类的工作环境中无缝协作。
  • 模块化设计：身体的各个部分（如手臂、手部）都可以根据任务需求进行更换和升级。
  • 面向未来：Apptronik的目标是创造能够执行广泛任务的通用机器人，其双臂系统旨在模仿人类的灵活性和操作能力，应用场景包括物流、制造、家庭服务等。

应用场景

美国双臂协作机器人的应用正在从实验室走向各行各业：

• 先进制造：精密电子装配、汽车零部件的安装与测试、质量检测。
• 物流与仓储：货物的分拣、码垛、拆垛，以及与AMR结合的“货到人”拣选。
• 医疗与实验室：实验室样本处理、药品分装、手术辅助（研究阶段）。
• 航空航天：飞机部件的装配、打磨、钻孔等需要高精度和复杂路径规划的任务。
• 国防与公共安全：排爆、核生化处理、战场物资补给等危险任务。

美国的双臂协作机器人技术呈现出“移动化”、“智能化”、“人机共融化”的鲜明趋势，与美国强大的软件产业、人工智能技术和深厚的工业基础相结合，这些机器人不再仅仅是执行预设程序的机器，而是越来越成为能够感知、适应并与人类高效协作的智能工具。

虽然在数量上可能不及欧洲的单臂协作机器人普及，但美国公司在高端应用、复杂系统集成和前沿技术研发方面，尤其是在将移动、视觉、AI和力控技术深度融合到双臂系统中，已经取得了显著成就，并持续引领着该领域的发展方向，随着技术的成熟和成本的下降,美国双臂协作机器人将在更多领域释放其巨大潜力。

标签： 美国双臂机器人协同控制算法 双臂协作机器人高效作业路径规划 美国双臂机器人同步运动控制技术