眾所周知，目前較先進(jìn)的傳統(tǒng)機器人一般最多具有六個自由度，其中，前三個自由度引導(dǎo)夾手裝置至所需的位置，而后三個自由度用來決定末端執(zhí)行裝置的方向。在三維空間內(nèi)，剛體需要六個獨立參數(shù)確定其位姿，因此，機器人的任務(wù)空間最多需要六個自由度就足夠了，一般不要求機器人具有六個以上的獨立自由度，而過多的自由度就會產(chǎn)生冗余自由度。

　　冗余度機器人，是指含有主動關(guān)節(jié)數(shù)多于完成某一作業(yè)任務(wù)所需的最少自由度數(shù)的一類機器人。其實，如上文所說，六個自由度是具有完成空間定位能力的最小自由度數(shù)，而增加的自由度便可改善機器人相關(guān)的運動學(xué)和動力學(xué)特性。

　　雖說真正產(chǎn)品化的七自由度工業(yè)機器人與傳統(tǒng)的六自由度，甚至更少自由度的工業(yè)機器人相比，無論是從產(chǎn)品種類，還是銷售占比差距都十分明顯。但正是由于其擁有有別于非冗余自由度機器人的冗余特性，使得七自由度的機器人優(yōu)于六自由度機器人，而成為人們關(guān)注的焦點，也使得對冗余度機器人的研究變得日趨重要。

　　我國研發(fā)始于20世紀(jì)90年代初期

　　我國對于七軸機器人的科研工作始于20世紀(jì)90年代初，而當(dāng)時項目的領(lǐng)軍人物正是我國已故的著名機器人技術(shù)專家、中國工程院院士張啟先，而張啟先院士的主要貢獻(xiàn)之一便是完成了七自由度冗余機器人樣機的研制。

　　上世紀(jì)80年代末，由于研制難度及其之大，國際上研制出七自由度冗余機器人樣機的國家寥寥無幾。而張啟先院士率領(lǐng)課題組經(jīng)過幾年的艱苦拼搏，在1993年年底完成了首臺七自由度冗余機器人樣機的研制，并一次通過“863”課題驗收和部級鑒定。

　　盡管我國在冗余自由度機器人方面取得一定成果，但主要停留在學(xué)術(shù)論文、科研報告和實驗樣機的階段，并沒有實現(xiàn)真正的產(chǎn)品化發(fā)展，這無疑制約了我國機器人產(chǎn)品向高端產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)的步伐

　　具備諸多技術(shù)優(yōu)勢

　　到底七軸機器人比六軸機器人強在哪兒?從技術(shù)角度看，主要有以下幾個層面。

　　(1)改善運動學(xué)特性

　　在機器人的運動學(xué)問題中，三個問題使得機器人的運動受到非常大的限制。

　　第一是奇異構(gòu)型。當(dāng)機器人處于奇異構(gòu)型時，它的末端執(zhí)行器不能繞某個方向進(jìn)行運動，或者施加力矩，因而奇異構(gòu)型極大的影響了運動規(guī)劃。

　　第二是關(guān)節(jié)位移超限。在真實工作情況下，機器人每個關(guān)節(jié)的運動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，七軸機器人可以避免角速度運動過快，讓角速度分配得比較均勻。

　　第三是工作環(huán)境中存在障礙。在工業(yè)環(huán)境下，很多場合存在各種環(huán)境障礙，傳統(tǒng)的六軸機器人無法只改變末端機構(gòu)的姿態(tài)，而不改變末端機構(gòu)的位置。

　　(2)改善動力學(xué)特性

　　對于七軸機器人而言，利用其冗余自由度不僅可以通過運動軌跡規(guī)劃達(dá)到良好的運動學(xué)特性，并且我們可以利用其結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最佳的動力學(xué)性能。

　　七軸機器人可實現(xiàn)關(guān)節(jié)力矩的再分配，這里涉及到機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關(guān)節(jié)承受的力有多大。對于傳統(tǒng)的六軸機器人來說，其每個關(guān)節(jié)的力是一定的，它的分配可能很不合理。但是對于七軸機器人來說，我們可以通過控制算法調(diào)整各個關(guān)節(jié)的力矩，讓薄弱的環(huán)節(jié)承受的力矩盡量小，是整個機器人的力矩分配比較均勻，更加合理。

　　(3)容錯性

　　機器人在發(fā)生故障時，如果有一關(guān)節(jié)失效，傳統(tǒng)六軸機器人便無法繼續(xù)完成工作，而七軸機器人可以通過重新調(diào)整故障關(guān)節(jié)速度(運動學(xué)容錯)和故障關(guān)節(jié)力矩(動力學(xué)容錯)的再分配實現(xiàn)繼續(xù)正常工作。

　　國際廠商競相跟進(jìn)

　　目前，無論從產(chǎn)品角度，還是從應(yīng)用角度，國際上七軸工業(yè)機器人，都僅僅處于初步發(fā)展階段，但各大廠商紛紛在各大展覽會力推相關(guān)七軸機器人產(chǎn)品，可以想見對其未來的發(fā)展?jié)摿€是十分看好的。

　　2014年11月，“四大家族”之一德國著名工業(yè)機器人制造商KUKA在2014中國國際工業(yè)博覽會機器人展上，首次發(fā)布KUKA第一款七自由度輕型靈敏機器人LBRiiwa。

　　LBRiiwa七軸機器人基于人類手臂進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)合集成的傳感器系統(tǒng)，使該輕型機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功能、集成的關(guān)節(jié)力矩傳感器，以實現(xiàn)人機協(xié)作。

　　七軸的設(shè)計，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機器人的結(jié)構(gòu)采用鋁制材料設(shè)計，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10千克的輕型機器人的產(chǎn)品。

　　日本知名機器人制造商，“四大家族”之一的安川電機也發(fā)布了多款七軸機器人產(chǎn)品。其中SIA系列機器人是輕型敏捷型七軸機器人，該系列機器人能夠提供類人的靈活性，并且能夠快速加速。該系列機器人采用輕量化和流線型設(shè)計，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、檢驗等操作。

　　除了輕型七軸機器人產(chǎn)品外，安川還發(fā)布了七軸機器人焊接系統(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。

　　2014年11月，ABB在中國推出最新機器人產(chǎn)品YuMi，它是第一款雙臂輕型人機協(xié)作型機器人，而其每個單臂均為七個自由度，機身重量為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、消費品、玩具等領(lǐng)域。從機械手表的精密部件，到手機、平板電腦，以及臺式電腦零件的處理，對于YuMi來說都不在話下，而這正體現(xiàn)出該款冗余度機器人表現(xiàn)出的擴大可達(dá)工作空間、靈活敏捷、精確等種種優(yōu)良特性。

　　日本著名機械制造企業(yè)那智不二越已開發(fā)出多款七軸機器人產(chǎn)品。早在2007年底，那智不二越便開發(fā)出七自由度的機器人“PrestoMR20”。通過采用七軸設(shè)計，使得機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)域運動。另外，機器人前端部分(手腕)的扭矩增加到了原來傳統(tǒng)六軸機器人的約兩倍左右，標(biāo)準(zhǔn)配置的扭矩為20千克，通過設(shè)定動作范圍，最大可搬運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在機床上取放工件時可從機床側(cè)面進(jìn)行作業(yè)。這樣一來，就提高了事前準(zhǔn)備和維護等作業(yè)效率。機床間的空間能夠縮小至傳統(tǒng)六軸機器人的一半以下。

　　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所的應(yīng)用場合使用的工業(yè)機器人。

　　日本DAIHEN集團歐地希推出了最新的七軸機器人(FD-B4S、FD-B4LS、FD-V6S、FD-V6LS、FD-V20S)。由于有第七軸的回轉(zhuǎn)，它們可以實現(xiàn)像人的手腕一樣的扭轉(zhuǎn)動作，能夠?qū)崿F(xiàn)一周以上的焊接;另外，七軸機器人(FD-B4S、FD-B4LS)將焊接電纜內(nèi)藏于機器人本體，因此在示教作業(yè)時無需在意機器人與焊接夾具及工件間的干涉，動作非常順暢，焊接姿態(tài)自由度也得到了提高，能夠彌補傳統(tǒng)機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是一家由著名的MIT教授羅德尼布魯克斯(RodneyBrook)創(chuàng)辦的機器人公司，因創(chuàng)造了工業(yè)機器人的價格神話而聞名。最近推出的新產(chǎn)品瞄準(zhǔn)了中國的制造業(yè)市場。其雙臂工業(yè)機器人Baxter，售價僅約2萬美元。

　　Baxter機器人自重74千克，擁有兩個七自由度機器臂，單臂最大工作范圍為1210毫米。Baxter可同時處理不同的兩項任務(wù)以增加適用性，或者實時處理同一任務(wù)以實現(xiàn)輸出最大化。

　　Sawyer在很多方面與Baxter類似。其柔性關(guān)節(jié)采用了相同的串聯(lián)彈性驅(qū)動器，但其關(guān)節(jié)所采用的驅(qū)動器被重新設(shè)計，使其更小巧。由于采用了七軸的設(shè)計，并且工作范圍擴展至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機器人2.2千克的有效載荷大了不少。

　　我國產(chǎn)業(yè)布局幾何

　　目前，我國絕大多數(shù)工業(yè)機器人企業(yè)還尚未發(fā)布七軸工業(yè)機器人產(chǎn)品，其中有一部分表示正在研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，會在年內(nèi)有相關(guān)產(chǎn)品問世，而另有一些企業(yè)則表示對七軸工業(yè)機器人產(chǎn)品有關(guān)注，但尚未計劃設(shè)計研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。

　　作為我國機器人產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)的新松，于近期發(fā)布了首臺輕型七軸人機協(xié)作型機器人，其自身重量為29千克，負(fù)載為5千克，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.02毫米，工作半徑可達(dá)800毫米。它具備快速配置、牽引示教、視覺引導(dǎo)、碰撞檢測等功能，特別適用于布局緊湊、精準(zhǔn)度高的柔性化生產(chǎn)線，滿足精密裝配、產(chǎn)品包裝、打磨、檢測、機床上下料等工業(yè)操作需要。

　　存在的主要問題

　　我國的機器人產(chǎn)業(yè)在七軸工業(yè)機器人的理論研究有了很大進(jìn)步，而商業(yè)化產(chǎn)品方面仍與國外有較大差距。究其原因，主要有以下兩個方面：

　　一是自主創(chuàng)新能力弱。缺乏核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性成果和創(chuàng)新理念，我國工業(yè)機器人總體技術(shù)與國外先進(jìn)水平相比，差距在十年以上。

　　二是企業(yè)盈利能力較低，研發(fā)資金短缺。核心零部件技術(shù)的缺失導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)成本高企，加之外資廠商紛紛降價，2015年70%以上企業(yè)的本體業(yè)務(wù)處于虧損狀態(tài)。

　　針對以上問題，三項建議：

　　一是推進(jìn)創(chuàng)新環(huán)境建設(shè)。加強政產(chǎn)學(xué)研用合作與對接;建設(shè)各種先進(jìn)機器人技術(shù)的實驗環(huán)境;加大資金扶持力度，支持公用技術(shù)平臺建設(shè)。

　　二是重視下一代技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。除了當(dāng)前著手攻克伺服電機、精密減速器等關(guān)鍵零部件技術(shù)之外，也要重視人工智能、感知、識別、驅(qū)動和控制等下一代技術(shù)的研發(fā)。

　　三是壯大機器人產(chǎn)業(yè)人才隊伍。將機器人技術(shù)進(jìn)一步納入相關(guān)學(xué)科建設(shè)體系;著力培養(yǎng)和引進(jìn)高水平科研帶頭人;運用職業(yè)培訓(xùn)并通過實際項目鍛煉來培育高技能人才。

　　看到這里，金粉們會問，7軸機器人這么厲害，那這個幾軸是怎么區(qū)分的?下面小編給您簡單介紹一下!

　　論七軸機器人和一軸機器人的差別到底有多大

　　現(xiàn)如今，工業(yè)機器人被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但是我們也發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機器人的軸數(shù)并不相同，那么它們到底應(yīng)該有幾個軸呢?

　　所謂工業(yè)機器人的軸可以用專業(yè)的名詞自由度來解釋，如果機器人具有三個自由度，那么它可以沿x，y，z軸自由的運動，但是它卻不能傾斜或者轉(zhuǎn)動。當(dāng)機器人的軸數(shù)增加，對機器人而言，就是更高的靈活性。那么現(xiàn)在工業(yè)機器人都有多少個軸呢?

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

　　四軸機器人，可以沿著x，y，z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，與三軸機器人不同的是，它具有一個獨立運動的第四軸，一般來說SCARA機器人就可以被認(rèn)為是四軸機器人。

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

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

　　七軸機器人，又稱為冗余機器人，相比六軸機器人額外的軸允許機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。