作为德国机械工业的代表之一,机器人四大家族之一,KUKA已经历经100多年的历史。1973 年,KUKA 开创了作为机器人先驱的辉煌历史,研发出 FAMULUS-世界上首台拥有六个机电驱动轴的工业机器人。1996 年,KUKA 作为首家机器人制造商着手研发开放式、以计算机为基础的控制系统。2007 年,KR titan 被推出市场:它具有 1000 公斤的承载能力及 3200 毫米的作用范围,是世界上最大、力量最强的 6 轴工业机器人。这创造了一项新的吉尼斯世界记录。

2013 年,KUKA 迎来了新一代的机器人:KUKA 通过 LBR iiwa 推出了世界上首台适用于工业领域的轻型机器人(感知型机器人),且各轴均带有内置的传感系统。

珞石机器人的联合创始人韩峰涛将带我们以全新视角,从产品细节上深挖一下KUKA这家非常有特色的机器人公司

美的控股KUKA的事情在圈内传的沸沸扬扬,各路大神把已KUKA从里到外,从资本到战略,从产品到技术都扒了一遍。既然大家这么给力,那我们来聊一聊不是那么技术的东西,讲几个KUKA产品设计上的小细节。

如果你喜欢汽车,那么从德国三架马车BBA的身上可以看出很多德国产品的特点:科技感十足但不张扬,用料考究但不浮夸,设计严谨但不死板。

当然,大众除外。

闲话略过,KUKA作为一家德国企业,其产品当然也具备上述优点,我们先来说说人机交互。

目前工业机器人的人机交互方式即编程方式仍然以示教器(Teach Pendant)为主。示教器是一种专用的手持设备,可以理解成一个加强版的iPad,通过它可以完成对机器人的设置、编程、维护等操作。常见的6轴工业机器人共有6个自由度,因此在编程时,需要示教器具备6组12个独立的按键来对这6个自由度进行操作。关节运动模式时,分别控制1~6轴的正转和反转,笛卡尔空间运动时分别控制X、Y、Z以及绕X/Y/Z的旋转,例如下图红框中所示的: KUKA20161013 2 看到这么多按钮是不是非常头疼,当然也有使用软件做的,例如UR的超大屏示教器,外围没有按钮,所有的按键都是软件虚拟: KUKA20161013 3 使用按键的缺点,一是按键没有力度之分,无法通过按压力度来实时改变机器人的运动速度;二是很难通过同时按压多个按键来实现复合运动;

因此为了改变这种情况,有的厂商开始使用摇杆来增强机器人的操作体验,例如ABB: KUKA20161013 4 这款摇杆的操作方式与游戏手柄类似,不同的是该摇杆可以沿轴线扭转,因此它有三个自由度。缺点在于个头太大,导致ABB的示教器右侧厚度很高,并且在使用过程中,为了控制机器人的6个自由度,仍然需要使用其他按键进行切换,不是很直观。

有人要问了,既然空间6个自由度,那有没有可以支持6个自由度的摇杆,有的话用这个不就好了,非要整这么麻烦。

恩,KUKA也是这么想的。

做三维设计的同学可能有用过3Dconnexion出品的SpaceNavigator 3D鼠标: KUKA20161013 5 KUKA20161013 6

KUKA的示教器上就有这么一个类似的神器,就是6D鼠标(下图一右边偏上的Space Mouse),可以理解为可控制6个方向的摇杆(平时我们玩游戏主机/街机手柄上的摇杆只有2个自由度,一个摇杆只能控制上下+左右),KUKA的6D鼠标可以同时控制上下、左右、前后、回转、俯仰、偏转和俯仰,见下图(现款KUKA示教器KRC4 SmartPad): KUKA20161013 7 眼尖的同学已经发现这俩货长的特别像了,是的,按照辈分算,KUKA示教器上使用的6D鼠标可以称得上是3Dconnexion Space Navigator的爷爷辈了。

这里不得不提一个传奇人物Bernd Gombert,这位大爷身背100多项专利,并且是一位连续创业的企业家:

  1. 1989到2001年间,他作为研究员在DLR工作,其中主要的项目既是LBR机器人,也就是iiwa的前身。
  2. 1991年,他发明了3D鼠标,并以此建立了一家名为Space Control GmbH的公司,后来出售给了罗技,也就是现在的3Dconnexion;
  3. 2000年,他又创办了eStop GmbH,为汽车行业提供刹车系统,该公司在2005年被Siemens VDO收购;
  4. 紧接着在2008年,Gombert带领eStop的核心团队出走创业,建立了RG Mechatronics,本来这是一家做咨询的公司,后来各种机缘巧合,先做医疗机械臂,后来转到了协作机器人研发上,并改组为Gomtec GmbH;
  5. 2015年4月,ABB宣布收购德国协作机器人制造商Gomtec。

这才是人生赢家好么。

KUKA的6D鼠标相比普通按键有多方便,只有用过的人才能体会。喜欢玩实况/FIFA/KOF的同学,想象一下键盘和手柄之间的差距,乘以3,基本就是这个水平。

有人可能要问了,把这玩意弄稳定点,放到工业产品上也没啥难度吧。恩,现在来看确实没啥难度,但是KUKA什么时候开始用6D鼠标的呢?1996年。那一年KUKA推出了全球首个PC-Based实时机器人控制器,在与之匹配的KCP2示教器上,KUKA第一次安装了6D鼠标,见下图,右侧白色的圆柱体就是:

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那个时候中国正式接入国际互联网才刚刚2年,大部分中国人才刚刚开始在学校学习普通的鼠标怎么使用,那个时候KUKA竞争对手的示教器是这个样子的(ABB S4 Teach Pendant 1994~1999): KUKA20161013 9

当然,超前的设计总会伴随着一些不可靠因素。由于集成度太高,再加上工厂的使用环境和工人的使用习惯远比消费级市场环境恶劣,导致KUKA的6D鼠标故障率比较高,经常会出现自己漂移甚至不能使用的情况。为此KUKA在其每一代示教器上都另外设置了备用的6组“+”、“-”按键以防万一,也算是不得已的折中。

再贴一张市面上主流厂商的示教器的汇总图(从左往右依次是KUKA、KEBA、FANUC、ABB、YASKAWA、COMAU): KUKA20161013 10

接下来讲讲机械本体的颜值

工业圈里很多产品外观都很挫,其主要设计出发点都是保证功能性和可靠性,高颜值外观对产品销量的提升效果远比不上消费级产品。因此外观设计大部分会为成本让路,能用、可靠、不太丑就行。

KUKA虽身在工业圈,但是企业的内心非常潮流,人家就是要逼格高,就是要看着爽,多那点成本爷不在乎。其产品外观流线型设计非常棒,很多结构件和电机的设计也有很科幻感。多款产品曾获得红点和IF大奖,比如其当家花旦KUKA LBR iiwa,把这机器人放到工厂里都舍不得用啊: KUKA20161013 11 KUKA20161013 12

这里插一句,文献中可能对这款机器人有两种称呼,一种是LWR,一种是LBR iiwa。前者是德国宇航局DLR使用的名称,为Light Weight Robot的缩写,在iiwa没出之前,很多高校买LBR回来做学术研究,经常读论文的同学可能会见的比较多;后者是KUKA将其DLR LWR商业化之后赋予的新名称,LBR是德语的轻型机器人的缩写,iiwa是Intelligent Industrial Work Assistant的缩写。

再来看看KUKA机器人妖娆的腰段。

一般上习惯将工业机器人大臂下部与底座相接的地方称为腰座。由于这个地方要布置巨大的2轴电机、减速器、平衡缸等大型部件,所以很难做好结构和美观之间的平衡。为了更好的理解,先科普一个大型重载机器人都会用到的关键部件:平衡系统。

对于六轴工业机器人来讲,在大部分时间里,2轴所承受的负载是最高的,尤其在手臂伸展较开的时候,例如下图,2轴电机需要承担整个机器人大部分的自重外加负载的重量: KUKA20161013 13

出于结构设计和功耗方面的考虑,2轴电机功率不能选的太大,在上面那种情况下只靠2轴电机无法提供足够的转矩输出,因此就需要额外的平衡系统来为2轴提供辅助转矩,一般情况下,平衡系统可以提供全部所需转矩的40%以上。

在机器人发展的早期,由于技术和成本限制,大型机器人的平衡系统普遍选用实心的金属结构件,结构简单,成本低廉,缺点是占用的空间较大,限制机器人的工作范围: KUKA20161013 14

之后主流的平衡系统开始演变为多弹簧嵌套的方式,显著缩小了机器人的体积,慢慢的几乎所有的大型机器人屁股后面都挂着一个粗壮的圆筒形平衡缸,其内部一般是多个大小不一的弹簧嵌套在一起组成的,例如下图。注意上图中机器人大臂两端也是带有弹簧平衡缸的。 KUKA20161013 15

但即使这样,采用弹簧缸的平衡系统体积仍然很大,对机器人的运动范围还是存在一定的限制,并且弹簧寿命也是一个不好解决的问题。这个时候采用液压缸的新方案出现了,我不确定KUKA是不是首先使用液压缸作为平衡系统的厂商,但KUKA绝对是使用该系统作为广泛的厂商,来一张对比图片,体积明显缩小,逼格明显提高,(KUKA: The Hydropneumatic Balancing System): KUKA20161013 16 KUKA20161013 17 一根棍,两个球(蓄能器),节省空间,提升b格,搞定。

ok,我们继续回到腰段的话题来。

最为常见的腰段布局和外形是这样的(ABB最新一代的大型机器人6700): KUKA20161013 18

或者这样的(FANUC R2000iB 165F): KUKA20161013 19

KUKA有液压平衡缸加持,腰座部分相比以上几个简单粗暴的工业式布局,有着充裕的空间进行外围轮廓设计,整体线条要流畅很多,例如下图是KUKA TITAN系列重型机器人,外观设计曾获红点大奖,前一段时间朋友圈传的很火的“The Perfect Match”视频,在下面托着波尔的就是这货: KUKA20161013 20

上一代的KR350,腰部的线条是不是很带感: KUKA20161013 21 以及最新的KR QUANTEC K系列高负载机器人: KUKA20161013 22 KUKA另一个领先业界的技术,是其基于软件的安全控制器技术。

工业机器人领域中主要厂家都有自己的安全技术,例如ABB的SafeMove,Fanuc的DCS(Dual Check Safety)等。这几家的安全控制器是使用硬件来实现,在其控制柜内部都可以见到一块安全控制板(Safety Controller)。对于安全控制器的认证有非常严格的要求,一般在硬件会采用双CPU的配置,有时还会要求这两颗CPU采用不同型号的芯片,使用1oo2策略,只要两个CPU运算结果不一致,立刻停机。

而KUKA则使用了完全软件化的方式,KRC4控制系统在一颗x86 CPU的两个不同核心内分别运行了K&W提供的SafeOS,并且在只有1颗CPU的情况下,通过了安全认证。下图表示了KUKA在酷睿2双核处理器上,每个核中运行的不同程序。 KUKA20161013 23 KUKA还有一项其他家没做的业务,就是娱乐产业,是的,KUKA也混娱乐圈内。

当然不是那个特别乱的圈,KUKA搞的是使用机器人做游乐设施。在2001年,KUKA与RoboCoaster Ltd一同开发了世界上第一台可乘坐两位乘客的机器人过山车娱乐设施RoboCoaster G1,KR350的350KG最大负载带着两个成年人飞来飞去毫不吃力: KUKA20161013 24 强烈推荐大家去看看相关的视频,非常的带感。 KUKA20161013 25 机器人才是VR眼镜的完美搭档啊。 KUKA20161013 26 2015年,世界领先的主题公园承包商Simworx完成了对RoboCoaster的收购,将会把机器人技术更好的运用到主题公园,5D影院中。工业机器人独有的高速度,高灵活度的优点,必将会给这些行业带来不小的改变。

除此之外,KUKA机器人还参与拍摄了多部好莱坞电影,例如007系列的《择日而亡》、《达芬奇密码》等电影中都可以看到KUKA机器人的身影(不过在电影拍摄领域混的最好的Bot & Dolly使用的是ABB机器人)。

在四大家族中,KUKA体量最小,但是它的产品也最有特色,时不时总会蹦出一些新鲜玩意,让大家小吃一惊。