近年來，跨國機(jī)器人巨頭們紛紛推出七軸工業(yè)機(jī)器人，以搶占高端新市場(chǎng)，這引發(fā)了我們對(duì)于七軸工業(yè)機(jī)器人的深入思考，它具有哪些獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，存在哪些研發(fā)難點(diǎn)，近年來國際上發(fā)布了哪些工業(yè)七軸機(jī)器人產(chǎn)品，我國七軸工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化又進(jìn)入了哪一階段？

工業(yè)機(jī)器人到底應(yīng)該有幾個(gè)軸？

目前，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但我們也發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人不僅形狀各異，其軸數(shù)也各不相同。所謂工業(yè)機(jī)器人的軸，可以用專業(yè)的名詞自由度來解釋，如果機(jī)器人具有三個(gè)自由度，那么它可以沿x，y，z軸自由的運(yùn)動(dòng)，但是它卻不能傾斜或者轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人的軸數(shù)增加，對(duì)機(jī)器人而言，就是更高的靈活性。那么工業(yè)機(jī)器人應(yīng)該有幾個(gè)軸才合理呢？

三軸機(jī)器人也被稱為直角坐標(biāo)或者笛卡爾機(jī)器人，它的三個(gè)軸可以允許機(jī)器人沿三個(gè)軸的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)器人一般被用于簡(jiǎn)單的搬運(yùn)工作之中。

四軸機(jī)器人，可以沿著x，y，z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，與三軸機(jī)器人不同的是，它具有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的第四軸，一般來說SCARA機(jī)器人就可以被認(rèn)為是四軸機(jī)器人。

五軸是許多工業(yè)機(jī)器人的配置，這些機(jī)器人可以通過x，y，z三個(gè)空間周進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以依靠基座上的軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身的動(dòng)作，以及手部可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，增加了其靈活性。

六軸機(jī)器人可以穿過x，y，z軸，同時(shí)每個(gè)軸可以獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，與五軸機(jī)器人的最大區(qū)別就是，多了一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。六軸機(jī)器人的代表就是優(yōu)傲機(jī)器人，通過機(jī)器人身上的藍(lán)色蓋子，你可以很清楚的計(jì)算出機(jī)器人的軸數(shù)。

七軸機(jī)器人，又稱為冗余機(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，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，它將取代人工進(jìn)行裝配手機(jī)等精密電子產(chǎn)品。

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)上來看，六軸工業(yè)機(jī)器人存在什么問題，七軸工業(yè)機(jī)器人又強(qiáng)在哪？

（1）改善運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題中，三個(gè)問題使得機(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。

（2）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題，也就是說，作用在末端的力，通過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)器人來說，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)器人來說，我們可以通過控制算法調(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。

（3）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)器人便無法繼續(xù)完成工作，而七軸機(jī)器人可以通過重新調(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。

國際巨頭們的七軸工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品

無論從產(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，可以想見對(duì)其未來的發(fā)展?jié)摿€是十分看好的。

庫卡LBRiiwa

2014年11月，庫卡在中國國際工業(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來說都不在話下，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，那智不二越便開發(fā)出七自由度的機(jī)器人“PrestoMR20”。通過采用七軸設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人能夠像模仿人類手臂那樣執(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，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法進(jìn)入焊接的缺憾。

RethinkRobotics的Baxter和Sawyer

RethinkRobotics是協(xié)作機(jī)器人的先驅(qū)，其中，最先開發(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。