安全高效的机器人设计：定位、结构、操作与感应

（一）前期定位

通过对市场上六自由度协作机器人产品的调研与分析，结合工业机器人的发展趋势，将产品造型定位在情感化上，注重满足相关人员的情感从而进行设计，以六自由度协作机器人造型为设计对象，从心理和造型角度进行创新，完整地进行产品语意的系列化表达。

人群定位：由于工业产品的维护者和使用者属于特殊群体，所以需要特殊定位。维护者定位于有专业能力的工程师，使用者定位于技术操作员（主要为轻工装配及自动化机冲床工作人员），有熟练的控制操作技能。

造型定位：造型作为工业机器人产品设计的要素之一，必须要符合安全性、舒适性和人机的设计要素。因此，造型向仿生化、更为纤细紧凑及人情化发展，符合操作者心理，并且满足产品功能，可结合虚拟现实技术进行遥控。内部机构可以大胆尝试颠覆性创新，不必受现有机构的限制。

色彩定位：产品色彩搭配不仅要考虑购买者的审美需求，最重要的是使用者对色彩有心理反应。因此，将该款机器人的色彩定位为柔和亲切的色系。

功能定位：轻型装配作业和自动化作业台等应用场合，尤其是食品加工对全手动装配生产线与全自动生产线之间的空白进行有意义的探索。包括零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床和冲床上使用。本款机器人力求产品的结构设计、零件标准化，系统一体化，并且进行符合操作者操作的设计，以此增加安全系数，降低操作复杂性。同时，这款机器人的设计还增加了多方位传感器及解放笼子以提高安全性、充分利用空间等。

材料定位：工业产品材质需要给人安全舒适的心理感受，改变长时间与化工材料接触会产生不良反应的刻板印象。因此，材料需无毒、耐高温，并且给人安全感。

（二）国内外研究现状与发展

工业机器人是指面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。当前，对全球机器人技术发展影响最大的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。

1．国内现状分析

我国于1972年开始研制自己的工业机器人。从20世纪90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地。

沈阳新松

SRB360／500A

全新SRB360／500A系列机型采用钢性的手臂设计，提升了手臂负载能力，扩大了适用范围。在满足柔性设计要求的同时，保证极高的工作质量。防护等级IP67，能够适应恶劣的生产环境，在粉尘较大的室内外均可正常运行。在作业空间、动力状态等方面皆具有优异的性能参数，SRB360／500A系列机型凭借其更高的模块化、灵活性和质量保持了技术领先。尤其适合重负载高效的铸造、焊接、搬运、码垛等领域，是重负载机器人产品的优越之选。

UR机器人

UR3机器人

——可处理高达3千克（6．6磅）的自动化作业

图1-1-1 UR3机器人

——延伸半径范围达500毫米（19．7英寸）

超灵活UR3能为较小生产环境提供极高的准确度。UR3可控制高达3千克（6．6磅）的有效载荷，为科学、医药、农业、电子产品和技术设施提供使用价值。UR3擅长的作业包括：安装小型物件、胶合、固定螺钉、操作工具、钎焊和涂装。UR3专为触及距离较短的环境而设计，其延伸半径达500毫米（19．7英寸），可部署在狭小空间里，几乎可以为任何生产环境增加价值。UR3的最后一个关节上还有InfiniteSpin TM，可以让您无须添加额外设备就能进行螺钉固定作业。UR3易于编程，设置快捷，具备协作性与安全性，如同我们的其他协作机器人一样，能让用户在最短时间内获得业内最快的投资回报。用户可以从“为何选择UR机器人”页面上了解更多关于UR机器人优势的信息。

图1-1-2 UR5机器人

UR机器人

UR5机器人

——可处理高达5千克（11磅）的自动化作业

——延伸半径范围达850毫米（33．5英寸）

——回报时间快

轻巧、灵活的UR5可为用户自动处理有效载荷达5千克的重复性危险作业。UR5可完美胜任轻量级协作流程（如抓取、放置和测试）。UR5的工作半径达850毫米，让一切都触手可及，让用户能腾出时间为其他阶段的生产增添价值。

UR机器人

UR10机器人

——可处理高达10千克（22磅）的自动化作业

——延伸半径范围达1300毫米（51英寸）

——回报时间快

图1-1-3 UR10机器人

UR10是我国最大的工业机器人，专为大型的、对精确性和可靠性有高要求的作业所设计。UR10能够自动处理质量达10千克的流程和作业。重量较大的协作流程（如包装、堆垛、组装、拾取与放置）都非常适合UR10。UR10的延伸半径范围达1300毫米，适合处理更大型领域内的作业。这可以为受距离影响的生产线节省出作业时间。

上海新时达

SD系列机器人外形小巧、体积小、重量轻，是最适合组建小型单元的机器人，能够高速且精准地完成上下料、分拣、装配等各项工作。

图1-1-4 上海新时达机器人

图1-1-5 上海新时达SR系列机器人

SR系列焊接机器人能实现稳定的焊接，获得高度精确的焊接路径，是专用的弧焊机器人，缩短焊接周期，延长管件和线缆寿命。同时SR系列焊接机器人能够在狭小的空间内灵活地进行焊接作业，主要适用于低负载、大范围的工作场合。

南京埃斯顿

此款机器人能够帮助用户实现高效可靠的柔性生产，满足用户在日益缩短的产品周期、创新的包装设计、多样化的包装尺寸和产品型式、批量生产等各方面的需求。

图1-1-6 南京埃斯顿机器人

到2025年，预计工业机器人年销量将达26万台，保有量达180万台。目前中国万人工业机器人拥有量只有23台，不及国际平均水平58台的一半。与发达国家的巨大差距也意味着我国工业机器人市场发展潜力巨大。而国内现在正在自主研发，努力打破进口机器人的技术壁垒和市场垄断，如安徽芜湖的埃夫特智能装备有限公司，在造型方面总体较之以前有较大突破，从简单几何形体向流线型多曲线、面方向发展，给人感觉更加精密，更有科技感、工业感［37］。

机器人的应用范围越来越广泛，在食品加工领域的应用也是如鱼得水。在中国劳动力红利逐渐消失的背景下，“机器换人”已是大势所趋。

产业创新弱、产业规模相对较小、竞争力差、无核心技术与自主知识产权，是目前中国机器人产业的现状。但工业机器人在中国制造业中正在逐渐崛起。在国内使用的机器人中，越来越多的机器人是由中国的供应商提供的，而中国制造的机器人总体造型也在不断发展，由初始的简陋、功能少到偏圆润，方中带圆，或灵巧或敦实，逐力体现出中国特色，在色彩方面则多为白色与其他色系混搭。

2．国外现状分析

库卡（KUKA）机器人(www.xing528.com)

LBR IIWA 14 R820

LBR IIWA制造的协作机器人敏感度极高，能够确保高度安全性，且学习速度快，因此更容易操作。在人机合作方面开辟了全新的应用领域，突破了以往机器人无法跨越的界限。

KR 5 ARC

新型的KR 5 ARC是库卡机器人系列产品中最小的机器人。其5千克的负载能力尤其适用于完成标准弧焊工作。无论是落地安装还是安装在天花板上，KR 5 ARC都能可靠地完成任务。

KR机器人提供小型负载、中型负载和大型负载，标准手腕和具有专利技术的中空腕解决方案。KR机器人提供全覆盖的工业机器人，负载最高达到650千克，其尽可能减小底座尺寸设计，巨大的工作范围，高精度移动和定位，带来了更加可靠的品质和更低维修成本。

DENSO

DENSO机型齐全，备有5轴（VP-5243）和6轴（VP-6242）两种机型。其外形小巧、马力强劲、能够满足各种各样的应用需求。其中，VP-5243最大搬运质量为2．5kg（手臂前端向下3．0kg）；VP-6242最大搬运质量为2．0kg（手臂前端向下2．5kg）。

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已经成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械行业等已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量工伤事故的发生。同时，工业机器人整体造型向更为纤细、紧凑及情感化方向发展，粗大的关节逐渐消失，将零部件置于手臂内部，由原本的机械感到色彩多变，在感官上给人更加智能、流畅、精细的感觉。

现在中国是应用机器人程度最高的国家，其次是日本、美国、韩国，中国成最大工业机器人的主力市场。2015世界机器人大会显示出工业机器人年度供应在近几年出现了强劲的发展。2014年工业机器人达23万个，预计2017年的增量为15％，而接下来的几年里工业机器人还会继续保持两位数的增长。

3．发展趋势

在工业机器人在国内不断得到应用的同时，工业机器人产业发展的尴尬现状也不容忽视。目前，由于核心技术缺乏，我国工业机器人消费严重依赖国外企业，尤其在减速机、伺服电机、控制器等核心零部件上，我国机器人企业均受制于人，只能购买昂贵的国外设备，这需要引起产业发展的重视，也亟待国产工业机器人厂商不断提高技术，加大研发水平，早日独立于国外企业。

（1）日益智能化、仿生化，色彩丰富。

伴随着互、物联网的发展，多传感器、分布式控制的精密型工业机器人会越来越多，工业机器人正向着智能化的方向发展，而智能工业机器人将成为未来的技术制高点和经济增长点。仿生化追随情感化而来，会让用户更有安全感。

（2）日益模块化和系统化。

近年来，随着电子技术、电子计算机的广泛应用，新华创工业机器人的研制和生产已成为高科技领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机器人的发展，使得机器人能更好地实现与自动化和机械化的有机结合。

（3）从中低端日益向高端进发，表现为造型上的简陋、机械和冰冷向人情化靠拢。

（4）标准化、应用范围扩大，不仅仅以搬运及上下料为主。

（5）自主知识产权、价格因素及系统集成能力［38］成为自主研发关注的焦点。

（三）调研总结

1．设计调研

（1）调研目的

通过研究国内外工业机器人的发展和应用现状，得出市场上工业机器人的优缺点并以此作为设计依据，进行定位。

（2）调研对象

工业机器人、六自由度机械手臂。按照ISO的定义，六自由度工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。随着持续的技术革新，现在的工业机器人可以根据人工智能技术制定的原则来行动，工作完成都具有高效性、持久性、便捷性和准确性。

（3）调研方法

通过采用SWOT分析法，对调研对象进行纵横向分析，之后确定信息源、数据采集、数据分类、信息构建、关键点提取，以识别设计机会。

2．市场调研

通过对国内工业机器人的调查发现，我国工业机器人在不同地区分布不一，大部分二三线城市的工厂还没有引进工业机器人，发达地区的工业机器人应用是较为广泛的，我国工业机器人产业主要集中的地区位于北上广以及长三角、珠三角等地区，这些城市所拥有的工业机器人数量占据全国大部分的工业机器人市场。在调研过程中我们发现现有市场上工业机器人的一些优缺点，如表1-1-1所示。

表1-1-1 优缺点分析

续 表

3．设计要点

（1）成件运输、批量化、整体性、定位精度。

从上料到制作再到下料，最后成件储存，机器人能够一体化操作完成，且可以循环批量化进行，这其中也需要机器人对运输的精度准确掌握才可以完美衔接。

（2）无人化生产、自动化生产、自动上下料。

整机智能化使机器人从上料生产到下料成件均自动完成，中间过程尽量无人化操作，以减轻劳动强度解放人力。

（3）工作环境、作业空间、待机位。

机器人的工作占地面积以及工作范围是否会对其他机组产生影响，就要求机器人不工作时待机位置占地面积尽量小。

（4）安全性、稳定性、耐磨性。

由于机器人的连续运作时间比较长，所以关节部位的耐磨性以及整机的稳定性十分重要，这关系到生产过程的安全性，机械手运行不平稳可能会导致机器人与机器碰撞，从而产生安全隐患，在关节部位应注意结构的设计、材料的运用以及产生隐患时的紧急停止装置。

（5）整机柔性、灵活性。

机械手臂多轴设计，可以精准定位到工作范围内的任意位置，运作时不会过于刚硬，在不影响负载的情况下更加轻便灵活。

（6）外观、人机操作界面。

机器人的外观设计主要包括其外形以及色彩的设计，还包括机器人的控制键位置和操作界面布局，使工人在操作时更加顺利，以避免安全隐患的产生。

（7）表面处理、铸造工艺。

在机器人设计过程中不同部位需采用不同材料，例如，钣金、塑料等，以同时保证机器人的刚性与柔性，以及外观设计完成后需对其表面进行处理，例如，打磨、喷漆等程序。