标签: 人机协作

现在用的最多的工业机器人，一般都是六轴的，但是最近推出来的人机协作机械臂，却有7个自由度，一直想不明白为什么。直到最近看到知乎上的一个问题： 人的手臂（腕关节到肩关节）有几个自由度？才发现，原来7个自由度是对人手臂的真实还原。 人的手臂（腕关节到肩关节）有几个自由度？ 我想绝大部分人都没有想过，更别说去了解有哪几个自由度，即使是学工科的人，也未必能解释清楚。没想到知乎上居然有人把这个问题回答的这么专业有内涵，同时又那么有哲理，忍不住想要把这个答案分享一下。 回答这个问题的是知乎网友杨硕，答案如下： 实话说，我对robot manipulation还是挺熟的，但是楼上几个答案一眼看去都看不懂。不是黑，而是觉得对非专业人士来说不好理解。 我来尽量用通俗的语言解释一下。 首先，问题的答案是：数一下就行了啊！ 7个自由度。 有人问5，6是不是一样的。5是拧钥匙时唯一要转动的关节，动力来自小臂两根桡骨的扭转；6是把鼠标放在桌面用手转时唯一要转动的关节，动力来自手腕的旋转。 至于为什么人手臂是7个自由度，而不是8个也不是6个，可能是因为上帝非常懂机器人控制，下面尽量简单地介绍一下。 首先介绍一个定理： 6个自由度的机械手，在空间中无法在保持末端机构的三维位置不变的情况下从一个构型变换到另一个构型。 这个定理乍一看很不好理解，可以考虑一个更简单的情况： 在这张图上，一个机器人的手臂由基座、两个关节、两根连接件构成（想象把一个圆规打开，然后把一端用手指捏住）。请问我们能够把机器人在保持上部末端机构在平面上位置不变的情况下，从“lefty”这个状态扭到“righty”这个状态吗？ 答案是不行的，不管怎么动两个关节，移动过程中末端机构的位置肯定是要变的。看官也可以拿两根笔在桌子上动一动试试。 同样地，一个6自由度的机械手，即使某两组构型对应的末端机构的三维位置相同，机械手在从一个构型移动到另一个构型的时候无法保持末端机构始终不动。 如果有人在电视里看过工业机器人焊东西的话，就会发现它在同一个位置焊接的时候，一会儿整个扭到这边，一会儿整个扭到那边，看起来非常酷炫的样子。事实上这么做只是因为，虽然焊接只是想改变末端机构的朝向，而不改变末端机构的位置，但是由于定理的限制，它必须要往后退一些，然后各种扭，才能保证在移动末端机构的朝向的过程中不会撞到东西，因为移动的时候末端机构的三维位置一定会乱动。如果它能够随便转一点点就可以达到目的，还费那个力气酷炫地整体都转起来干啥…… 而多了一个自由度以后就不一样了。 想想开门时拧钥匙的动作，这个情况下是人胳膊的末端机构（手）的三维位置没有变（始终在钥匙孔前），但是末端机构（手）的三维旋转变了（转动了钥匙）。人能够实现这个简单的动作，就是因为我们的胳膊有7个自由度。 说到这里，看官可能会看出来了，哎我懂了，我的末端机构有6个自由度（三维位置，三维旋转），而胳膊作为一个机械手，有7个自由度，这两个自由度好像说的不是一回事，但是数量上7-6=1，所以这1个自由度我能拿来拧钥匙。 如果上帝把我们的胳膊设计成6个自由度的话，人拧钥匙的动作一定会非常浮夸。大家可以在拧钥匙的时候不要转手腕，感受一下。 那么为什么不再多给我们一些自由度呢？ 因为自由度越多，机械手刚性越差。如果我们的胳膊有8个自由度，那么受伤的概率会更加很多。虽然没有什么生物学研究证明这一点（世界上没有8个自由度的生物躯体），但是机器人的研究是可以证明这个问题的。 所以7是一个最好的选择。不知道圣经中把7作为最好最神圣的数字、一个星期有七天，和人的胳膊有7个关节有没有关系。 这个答案是不是专业有内涵，同时又那么通俗易懂，好想跟大神网友说请收下我的膝盖。。。。

德国为保持在制造业的领先地位，在2013年提出工业4.0概念。有意思的是，中国制造业界和投资界对工业4.0的热情程度超过了德国人。近一年来，国内几乎每天都有工业4.0相关主题的演讲、论坛和沙龙，业内业外都在热烈讨论工业4.0。按其热度，似乎工业4.0马上要落地，真实的工业4.0到底距离我们还有多远？ 2015年4月，IHS公司带了一个制造业和投资考察团参观了汉诺威展会，拜访了德国的一些代表性的企业，如机器人公司KUKA、金属3D打印公司EOS、宝马汽车，以及一些新兴的无人机企业。欧洲之行后又参加日本的Tech Frontier（一年一度的日本电子、机械零配件及材料博览会）展会，并拜访了日本产综研AIST、机器人协会、日立、三菱和野村等企业和研究机构。这些企业和组织都是实现工业4.0的主体机构。 通过感观见闻对比发现，德国和日本这两个制造强国对工业4.0的态度，有诸多相似之处，我们对工业4.0的认识也更为清晰了，不能一提工业4.0就是C2B（消费者到企业）或者C2M（顾客对工厂）。笔者将此以随笔的形式记录下来。 数字工厂和人机是亮点 西门子的战略很清晰，在汉诺威展会上的标语就是“On the way to Industrie 4.0-Driving the Digital Enterprise” ——工业4.0就是要实现 自动化、数字化和网络化。 话虽如此，但德国人首要的突破口是数字化工厂，为什么不是自动化和网络化呢？ 德国企业在生产自动化上已经达到很高水平，同样的，日本企业的精益生产方面也有很高水平，但两相比较，德国并不占太大优势。德国企业要想获得领先，必须有新突破，而网络化涉及的产业链企业太多，整合难度较大，需要很长时间。所以目前的突破口只有选在数字化工厂。西门子在本届汉诺威工业展上还强调，做数字化工厂要注意积累专业的行业知识和服务，而每个行业、乃至每个企业，它们的行业特点和能提供的服务都有所不同，这就意味着每个行业甚至每个企业实践工业4.0的路径都可能会不一样。 数字工厂既包含产品的数字化，也包含生产过程的数字化，以及全生命周期的数字化。西门子推广工业4.0，不会忘记推销自家现成的软硬件产品和方案，其涵盖从产品设计、生产规划、工艺工程、生产执行和服务的全套数字化软件方案，也提供了可资参考的德国安倍格市的数字化工厂样版。 汉诺威展会分大小年，2015年是汉诺威工业展的大年，包含工业自动化和工业传动两部分，27个展馆全部开放，要想走马观花地走完全部27个展馆，一般人的体力很难胜任。由于工作需要，我从2010年开始几乎每年都参观汉诺威，基本都要走完全部27个馆。很多公司每年都有固定的展台位置，参展的展品从外观上看没有太多变化，连展台的装修和内容都和往年差不多。一方面说明工业自动化行业日趋成熟，变化不多。另外也说明对于一些基础的标准化原件，做到精益求精就足够了，无需大修大改。 数字工厂展馆是从2012年才开始设置的，本届汉诺威展会的数字工厂展馆比往届更大，参展厂商更多。众多的工业软件公司展示了自己的软件和方案，如SAP的未来工厂方案，多家工业4.0联盟企业也展示了模块化生产线的概念。 除了数字工厂，机器人展馆是本届汉诺威工业展的另一大亮点。而机器人展馆最火的是ABB、KUKA和Fanuc展出的协作机器人。 为了工人安全，一般工业机器人的工作区与工人隔离开，机器人像野兽一样被关在笼子里。同时，还安装了很多机器安全设备，如安全继电器、安全地毯、安全光幕、急停开关等，以防止对人身产生伤害。而本届汉诺威展出的协作机器人可以和工人一起协同工作，无需安全护栏，显然参展企业认为自己的机器人没有安全隐患。 现场的KUKA LBR IIWA机器人为观众倒啤酒，从拿杯子、开瓶、倒啤酒，动作流畅灵活，一气呵成。KUKA的LBR IIWA机器人有七个轴，特别适用于电子、医药、精密仪器等行业，这些行业对柔性、灵活度和精准度要求较高。 这些机器人之所以有较好的人机协作，是因为这些机器人所有的轴都具有碰撞检测功能和关节力矩传感器，在它碰到人时会自动减速或停止，工人也可以轻易地推开它。在安装工件时，它还能模仿人类的装配动作，它可以像人类一样用钥匙开门，它将钥匙插入钥匙孔一样，上下左右转动，感觉反馈回来的力矩，找到合适的角度进行装配。加之机器人具有较轻的机身，动作都较为温和，对人不易产生伤害。 德国机器人公司KUKA将今年的创新大奖颁给了ReTeLINK机器人，这是由意大利的研究团队主导的项目，在LBR IIWA 机器人和一个外骨骼机器手臂间通过位置传感器等多种传感器建立通讯连接，人穿上外骨骼机器手臂后，就可以通过机器手臂的运动指挥IIWA做出相应的运动。由于是双向控制，反过来也可以由LBR IIWA指挥外骨骼机器手臂运动，这样病人或者行动不便的人戴上外骨骼手臂之后，就可以在IIWA的指挥协调下进行康复训练。 ABB也用很大的展台展示其协作机器人YUMI，这是一台双臂机器人，每个手臂有7轴，行加灵活，工作范围大，敏捷且精确自主。YUMI装备了很多机器视觉产品和传感器，能自己触摸到小型零部件后通过传感器来感知并完成相应动作，并且保证一定的操作精度（准确到0.02毫米），相当于人手能感觉到的最小缝隙。这样的能力使得YuMi能够轻松组装各种小件，比较适合手机、平板电脑以及台式电脑零件的装配与生产操作。 根据IHS公司的研究报告，目前工业机器人85%以上的应用都在汽车相关行业，而汽车行业已经成熟，未来机器人的应用增长空间有限。目前ABB和KUKA大力推广协作机器人是将目光投向了潜力更大的3C制造，该行业需要应用更多的协作机器人。 很多日本机器人厂商也在汉诺威参展，包括Fanuc、Yaskawa，、SanyoDenso等。相比于ABB和KUKA大张旗鼓地推广协作机器人，Fanuc展出的协作机器人相当低调，在一个小小的展台展出，Fanuc的机器人一般都是黄色的，而这台Fanuc的协作机器人却是绿色的，以示区别。 除了人机协作，还有M2M（Machine to Machine）协作，通过机器人之间的通信，自我组织自动化生产，这样可以获得更高的效率。 我们还在展会上看到4架无人机共同协作，它们拖了网兜去接抛过来的球，这种机器之间的协作，某种程度上拥有了连接的智能。

大众汽车用机器人制造汽车，高智能、高性能的库卡机器人游走在各种工厂之中，人与机器人的和谐共生正在掀起制造业“变形”的革命。 “机器人Robot”最早源于捷克作家卡雷尔·查培克的剧本《罗萨姆的万能机器人》。剧中，人造劳力Robot是一个具有人的外表、特征和功能的机器。其后，机器人成为科幻片中经久不衰的题材之一，那些寄托了人类意愿和情感的机器装置，拥有人类智慧般的“智能”，能够靠自身动力和控制能力实现各种功能和任务。现在，这种“虚拟”的场景正越来越多地出现在德国及世界的各个工厂中。 在德国，“人机协作”早已成为德国现代工厂生产发展的主流，不论是作为“领头羊”的大型企业，还是甘当“隐形冠军”的中小企业，都无一例外地乘上了“智能化”这辆超级快车，积极践行着“工业4.0”。 大众：与机器人“同事” 大众汽车在德国被称为“国民的汽车”，其受欢迎程度可见一斑。而在位于萨尔茨吉特的大众汽车发动机制造厂，在对高低起伏中的机械手臂的惊鸿一瞥之后，我真正体会到，传统也能跟上潮流。设备的先进程度和智能程度远远超乎我们的想象，透过机器的触角，德国已将“工业4.0”的精髓，注入了制造业的每一方土地。 机器人这一工业科技时代“标志性硬件”的普及，使人工劳动力得到了极大的解放。在德国，平均每1万名工人就拥有273台机器人。工业机器人整合投入大规模生产线，让大众萨尔茨吉特工厂的员工们切实感受到了新工业革命吹来的春风。曾经，在生产发动机的过程中，工厂的员工必须辛苦地弯着腰，把电热塞插进几乎看不见的缸盖钻孔中。而现在，将电热塞插入缸盖钻孔的任务被一排排整齐的六轴UR5轻型机器人接管了。凭借一套特殊设计的分离系统，UR5机器人能够小心翼翼地抓取小巧的电热塞，并将其放入人工难以达到的钻孔中。然后，由一名员工负责固定电热塞，并对缸盖进行隔热处理，为下一道工序做好准备。通过与充当助手的机器人进行直接紧密地合作，员工现在能够以直立、健康的姿势完成这些工作。同时，他们可以始终观察这一过程，并在必要时迅速进行干预，确保生产顺利进行。 一条条生产线旁，机器人们在专业而毫无怨言地忙碌着。一眼望去，整个车间只有寥寥数名工人，一个个小型“变形金刚”在富有节奏感的机械声中大显身手，恍如未来工厂。机器人的广泛应用，帮助萨尔茨吉特工厂重置并优化了生产线，生产流程被切分成了许多非常细小的片段，每个片段都严格遵循既定的顺序加工，片段之间用高精度的自动化传动机制联系起来，令其高度柔性化，缩短了交付时间，并促进了可持续性发展。机器人所主导的数据准确的批量生产，不仅让制造成本得到有效降低，平均生产每台发动机所消耗的能量和污染排放分别降低了67%和70%。 在参访工厂的过程中，工厂的项目经理自豪地向我们介绍说：“我们利用了一种符合工效学的工作区布局，来摆脱公司所有岗位的员工所面临的长期负担。通过采用无需安全围栏的机器人，员工们可以与机器人携手合作。机器人成为生产制造助理，将员工从不符合工效学的工作中彻底解放出来。” 智能精密的自动化硬件设备不但大幅提升了工厂的生产效率，降低了生产能耗，还有效地改善了不符合人体工程学的生产流程。在我看来，先进的科学技术及其所迸发出的生产力，核心仍然是人，“工业4.0”并不是一味地追求自动化，排斥人参与生产的全过程。与之相反，未来的智能科技将着眼于更高层次的人机交互领域，根据人的心理、生理和身体结构，来融洽处理人、机械和环境的关系，让科技硬件装备为工作人员提供更好的支持，并利用加上绿色智能的手段和智能系统等新兴技术，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂。 库卡机器人：人工智能不“高冷” 未来的工业生产中，智能化软件和高性能生产硬件这两大要素将完美匹配，实现真正的“软硬兼备”。而工业机器人这一生产硬件在结合了工业软件之后，将显著提高生产效率和灵活性，使虚拟和现实的交互性不断加强。也就是说，未来的工业机器人，将会变得越来越“聪明”。 在德国乃至欧洲的自动化领域内，库卡机器人的市场占有率始终名列前茅。从第一台纯电动机器人发展到现在，库卡的研发技术在同行中一直遥遥领先。从最早的专用控制系统，到后期使用工业PC作为控制系统，再到使用Windows作为人机互动界面，走在前列的始终是库卡。因此，为了一睹这工业机器人行业佼佼者的风采，我们来到了位于奥格斯堡的库卡机器人公司总部。 巨大的橙色字母“KUKA”伫立在公司总部大楼上，简洁而又醒目。聆听完接待人员精炼到位的介绍之后，我们在展示厅看到了一台台大小不一、形状各异的工业机器人。纯白的展示墙下，机器手臂泛着微微的金属光泽，与冷光灯交相辉映。一位同行的客户还半开玩笑地说，“真是第一次看到这么‘高冷’的机器人呢。”不过，库卡机器人干起活来可是一点都不“高冷”，它们可用于物料搬运、加工、堆垛、点焊和弧焊，在空间节省、成本效益、灵活精准和节能高效等方面能够很好地满足工业制造自动化的不同需求。如在库卡机器人家族中最小的机器人：KR 5 R1400弧焊机器人，被誉为经济型薄板焊接专家，它能以极高的连续轨迹提高精确性，迅速且有效地完成工作。 库卡公司接待人员说：“我们的机器人年产量超过1.5万台，至今已在全球安装了超过15万台工业机器人。虽然现阶段，库卡机器人仍主要集中于工业应用，但未来的技术发展趋势必定将朝着智能化的方向发展。”在“工业4.0”之下，工业机器人将推动生产制造向灵活化和个性化方向转型，高度灵活的全自动化生产要求机器人完全集成到生产流程中。 在集成化的工业时代，单个的工作组件或物理端口因为智能化互联，将具有自我决策的能力，而人力将会被继续概念化。人与机器、虚拟电子物理体系的分工将转变为人类设计产品并决定产品规则和参数，机器、虚拟电子物理体系基于这些指令，触发、比对路径并选择、优化生产。依此计划，通过智能人机交互传感器，人类可借助物联网对工业机器人进行远程管理。这种机器人还将具备生产间隙的“网络唤醒模式”，以解决使用中的高能耗问题，从而促进制造业进行绿色升级。 现代科技给我们提供了无限的可能性。软件的高速发展，硬件的不断迭代，使得曾经以机器、设备、油脂和钢屑等陈旧事物为代表的制造工业，转而成为了与软件、互联网、机动性和云计算等新兴事物接轨的摩登时代的产物。而在“工业4.0”的发展进程中，人所发挥的能动性可谓有增无减。 过去，人是机械的“服务者”，工作范围被局限在某一区域，只能在轰鸣声中呆板地进行高强度重复劳动；现在，人已经转换成了机械的主控者、协调者，通过数据的可控性，以清醒的头脑和眼光掌控生产全局。而不久的将来，生产需要人作为决策和优化过程中的执行者，我们会拥有专业的高级技能，并能灵活地适应生产结构调整和技术发展速度，能够在一体化的生产过程中起到画龙点睛的作用。 法国历史学家雷蒙·阿隆在叙述当今机器人时代时说：“这些人工智能的建构，把之前存储在人脑中的智能嵌入机器中，这在人类史上是重要的时刻。”德国工厂中“各显身手”的机器人只是未来工厂的一个缩影，而“工业4.0”也只是未来工业一个起点。未来的世界，必定是人与机器协作创造出来的世界，我们用双手创造价值的愉悦感，用智慧推动社会进步的使命感，将在数据与机器、虚拟与现实的交叠中，不断地被放大。