在了解工業(yè)機器人到協(xié)作機器人設(shè)計架構(gòu)的轉(zhuǎn)變之前，首先看一下各自設(shè)計目的的不同。工業(yè)機器人使用場景主要是在隔離的工作空間，與人獨立作業(yè)；而協(xié)作機器人的設(shè)計初衷就在于人機協(xié)作：在指定工作空間與人協(xié)同作業(yè)。

協(xié)作機器人誕生之初是為了輔助中小型企業(yè)轉(zhuǎn)型自動化生產(chǎn)，主要面對生產(chǎn)品種繁多、生產(chǎn)量小的產(chǎn)線。工業(yè)機器人主要為剛性生產(chǎn)線設(shè)計，在重復(fù)的高精度軌跡下連續(xù)工作，難以進入需要時常調(diào)整生產(chǎn)的小型產(chǎn)線。因此引入?yún)f(xié)作機器人概念，通過與人協(xié)作實現(xiàn)靈活部署和柔性制造，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的進一步覆蓋。

由于目的、應(yīng)用場景的不同，協(xié)作機器人和工業(yè)機器人在設(shè)計架構(gòu)上有本質(zhì)的區(qū)別，首先體現(xiàn)在電氣安全，協(xié)作機器人一般采用48v及以下的低電壓設(shè)計；其次在碰撞力學(xué)方面，相對工業(yè)機器人要輕量化許多，具有高自重比的特點。

除了本質(zhì)的設(shè)計差異，為適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化落地，協(xié)作機器人設(shè)計上通常還有易于部署、簡化編程、外觀設(shè)計友好等設(shè)計需求。

不論何種機器人，設(shè)計架構(gòu)大體是類似的。如下圖所示，底層由驅(qū)動器控制，在機器人本體內(nèi)部有傳動和傳感原件。由驅(qū)動器采集傳感信號，對傳動件進行驅(qū)動控制。驅(qū)動器作為從站與上層主站通訊，實現(xiàn)上層的控制邏輯。

在該架構(gòu)基礎(chǔ)上，工業(yè)機器人一般采用伺服電機加控制柜的設(shè)計模式，整體呈中心控制（centralized control）架構(gòu)。機器人關(guān)節(jié)主要即伺服電機，作為標準化、模塊化零部件直接集成傳感和傳動零部件。電氣柜作為控制中樞，內(nèi)部包含驅(qū)動器，控制器及配套的電氣設(shè)備。伺服電機連接到電氣柜時，會產(chǎn)生大量的線纜。

而對于協(xié)作機器人，低電壓設(shè)計導(dǎo)致線纜直徑相對更大，外觀設(shè)計上也不允許保留大量線纜在機器人外部，難以直接復(fù)制工業(yè)機器人的設(shè)計模式。

協(xié)作機器人通常采用一體化關(guān)節(jié)設(shè)計，將底層執(zhí)行器，即驅(qū)動器，集成到機器人關(guān)節(jié)內(nèi)，使得每個關(guān)節(jié)成為一個控制單元?？刂粕铣?strong>分布式控制（decentralized control）架構(gòu)，不同層級間的線纜數(shù)量極大地減少，因此能夠采用中空走線設(shè)計直接將線纜隱藏在相對纖細的本體內(nèi)。

難點

通過對設(shè)計架構(gòu)轉(zhuǎn)變的了解，很容易產(chǎn)生一個印象：在設(shè)計層面，協(xié)作機器人成熟度優(yōu)于工業(yè)機器人。但實際情況并非如此。工業(yè)機器人設(shè)計是經(jīng)過數(shù)十年工業(yè)迭代的結(jié)果，是為實際應(yīng)用服務(wù)的有效設(shè)計。而協(xié)作機器人進入市場時間尚短，許多概念來源于理論。在實際設(shè)計方面，工業(yè)機器人零部件市場發(fā)達，存在成熟的標準化方案，而協(xié)作機器人在零部件選型上存在很大的限制。

如下圖所示，工業(yè)機器人設(shè)計中，關(guān)節(jié)選型主要即伺服電機。伺服電機產(chǎn)品直接集成傳動和傳感零部件，做到了高度模塊化，且僅通過幾個參數(shù)選項就能標準化地覆蓋用戶需求。廠商往往還提供配套的伺服控制產(chǎn)品，客戶在極短時間內(nèi)即可確定選型方案，在較短時間內(nèi)完成高可靠性的設(shè)計。

與工業(yè)機器人設(shè)計的便捷相比，協(xié)作機器人一體化關(guān)節(jié)的設(shè)計復(fù)雜得多。下圖右邊是一個常見的關(guān)節(jié)設(shè)計。

零部件構(gòu)成和功能上，由電機端的編碼器，通過接口傳輸數(shù)據(jù)到驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)電機所處的位置控制電機，并由諧波減速器進一步放大電機的輸出力矩。而后通常在減速器輸出端安裝另一個編碼器，形成雙編碼器構(gòu)型，一方面使用輸出端編碼器作位置控制反饋，降低關(guān)節(jié)剛度對輸出精度的影響，一方面利用傳感融合數(shù)據(jù)優(yōu)化力控算法等。

關(guān)節(jié)輸出端有時也會安裝有力矩傳感器，為力控提供最直接的反饋。

除了零部件更多，協(xié)作機器人設(shè)計和集成困難的原因主要在于兩個方面：

第一，協(xié)作機器人部件高度零散化，供應(yīng)鏈繁雜。廠商通常難以在專業(yè)性上覆蓋所有零部件領(lǐng)域，從而在反復(fù)拉鋸的選型和迭代中，損失大量的初期時間成本，同時也導(dǎo)致產(chǎn)品穩(wěn)定性相對較低；

第二，協(xié)作機器人部件非標化，大量的非標定制和零部件研發(fā)偏移了廠家研發(fā)重心，變相影響了產(chǎn)品競爭力。以選擇驅(qū)動器為例，在選型時需要考慮機械集成、電氣適配、電磁兼容性以及大量的功能集成和匹配問題。因為市場的限制，廠家為滿足設(shè)計需要，往往研發(fā)或外包定制零部件，進一步增加了研發(fā)成本，犧牲了產(chǎn)品的可靠性。

這兩方面因素嚴重地影響了行業(yè)的快速發(fā)展，對于大量的初創(chuàng)企業(yè)尤為困擾。

趨勢

根據(jù)以往的行業(yè)模式，以及一些已有的協(xié)作機器人產(chǎn)品，可以預(yù)見新一代的一體化關(guān)節(jié)設(shè)計會有兩個趨勢：

第一，部件集成。機器人廠商可以憑借模塊化的產(chǎn)品，直接整合下游供應(yīng)鏈成熟的技術(shù)資源，減小設(shè)計和集成成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

第二，部件標準化。廠商將能在市場上找到能夠覆蓋行業(yè)普遍需求的標準化產(chǎn)品，將競爭重心放到市場和應(yīng)用等主戰(zhàn)場。

行業(yè)的發(fā)展是做減法。部件集成和標準化的優(yōu)勢可以總結(jié)為以下幾點：

第一，研發(fā)過程簡化。部件選型、零部件集成、產(chǎn)品迭代等工作大大減少，節(jié)省了研發(fā)成本尤其是時間成本；

第二，生產(chǎn)過程簡化。供應(yīng)鏈得到極大縮減，降低了運營成本。生產(chǎn)流程得到簡化，使得生產(chǎn)成本降低，產(chǎn)量和質(zhì)量提高；

第三，維護過程簡化。使用集成化、標準化部件，不僅產(chǎn)品壽命更可靠，維護時間和難度也能得到降低。

Synapticon德國芯控是行業(yè)中少數(shù)的采用SoC技術(shù)的廠家。SOMANET伺服驅(qū)動技術(shù)以強大的SoC芯片為基礎(chǔ)，采用獨有的Model-predictive DeadbeatControl技術(shù), 在實現(xiàn)高性能控制的同時保持低熱耗，是集成式伺服產(chǎn)品的品質(zhì)基礎(chǔ)。SOMANET技術(shù)基于以數(shù)字化橋接底層與應(yīng)用的理念，包含齒距補償、集成編碼器控制、自動調(diào)試等功能。

針對協(xié)作機器人應(yīng)用，SOMANET技術(shù)致力于許多廠商關(guān)心的功能（如上圖所示），如基于力矩傳感器的閉環(huán)控制，使得4k甚至16kHz的柔順控制成為標配；智能抱閘控制，真正做到一步掌控各式抱閘；雙閉環(huán)控制、動態(tài)PID調(diào)節(jié)、模擬量輸入校準等。

CIRCULO通過兩個型號產(chǎn)品實現(xiàn)了一體化關(guān)節(jié)需求的全面覆蓋。如下圖所示，該圖從大小尺寸、機械配合、總線協(xié)議、電壓等方面列舉了CIRCULO 7和CIRCULO 9兩個型號產(chǎn)品的參數(shù)。

下圖是在CIRCULO框架下的一體化關(guān)節(jié)設(shè)計，可以看到除了無框電機和減速器，其余部分都已由方案囊括。

協(xié)作機器人對于功能安全性有較高的要求，然而很多場合下，大量應(yīng)用目前還未完全滿足安全規(guī)范。以拖動示教為例，國際標準TS15066內(nèi)對于使用拖動示教的場景、功能的實現(xiàn)和觸發(fā)等有一系列的規(guī)范，在工作場景中應(yīng)由安全傳感器確認用戶進入人機協(xié)作空間，在嚴格規(guī)范下觸發(fā)拖動示教功能，并經(jīng)過一系列安全功能（如SLS，SLP，SP）保障人機協(xié)作下的安全性。

為實現(xiàn)安全系統(tǒng)，機器人本體外需要集成大量的外部傳感器與執(zhí)行器，接入控制柜中安全IO，再接入主站獨立的安全模塊實現(xiàn)。這無疑大大提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度。CIRCULO集成安全模塊將允許用戶通過FSoE直接實現(xiàn)基于總線的安全采集和控制，保留協(xié)作機器人中空走線設(shè)計的優(yōu)勢，大大降低安全系統(tǒng)實現(xiàn)的難度與成本。

Synapticon德國芯控是一家創(chuàng)新的嵌入式技術(shù)公司，總部位于德國，并于上海、硅谷等地設(shè)有分部。憑借靈活、高性能的產(chǎn)品生態(tài)，公司為協(xié)作機器人、工業(yè)機器人、特種自動化等提供全面的運動控制技術(shù)方案。

Synapticon德國芯控自2012年正式成立就活躍于機器人和自動化設(shè)備市場，于2017年正式引入外部投資后，推出了首個標準化產(chǎn)品——SOMANET Node伺服驅(qū)動器。在此期間公司與數(shù)十家相關(guān)廠商進行合作，于2018年末，開始設(shè)計研發(fā)面向協(xié)作機器人的SOMANET Circulo標準伺服產(chǎn)品。在今天經(jīng)過兩年的迭代后，CIRCULO進入量產(chǎn)化狀態(tài)。

主要產(chǎn)品：

Synapticon德國芯控的主要產(chǎn)品覆蓋了機器人和控制領(lǐng)域的底層到上層。除SOMANET Node、SOMANET Circulo兩款標準伺服產(chǎn)品外，另有集成伺服電機、控制器軟硬件、機器人設(shè)計樣本等產(chǎn)品。

覆蓋領(lǐng)域：

Synapticon德國芯控目前服務(wù)的領(lǐng)域主要集中在協(xié)作機器人、工業(yè)機器人、自動化設(shè)備和AGV。