工业协作机器人研究热点及可视化分析_陆宁.pdf

第 44 卷 第 4 期 包 装 工 程 2023 年 2 月 PACKAGING ENGINEERING 393 收稿日期：20221030 基金项目：四川省哲学社会科学重点研究基地现代设计与文化研究中心项目（MD22E024）；四川省哲学社会科学重点研究基地现代设计与文化研究中心项目（MD22E032）作者简介：陆宁（1984），女，博士，讲师，主要研究方向为人机工程及工业产品设计。通信作者：李娟（1985），女，博士，讲师，主要研究方向为信息交互及人机工程。工业协作机器人研究热点及可视化分析 陆宁1，李娟1，金林轶2（1.西华大学 美术与设计学院，成都 610039；2.拉夫堡大学设计与创意艺术学院，拉夫堡 LE11 ETU）摘要：目的目的 从学术文献的角度梳理、分析和归纳国内外工业协作机器人从 1996 年至 2022 年的研究发展历程、热点演化及研究趋势，为研究和创新提供参考。方法方法 采用 CiteSpace 软件，分别选取国际 Web of Science 核心合集数据库和中国知网 CNKI 数据库的文献样本，对协作机器人的发文量时空分布、关键词共现、聚类和时间线等多类知识图谱进行可视化分析，并从协作机器人的前沿技术、人-机-环交互、智能应用三个方面进行归纳阐述。结论结论 发文量及关键词聚类时间线表明，国际、国内对协作机器人的研究历程均经历了萌芽期、探索期、快速发展期三个阶段；关键词共现和聚类分析表明，国际协作机器人的研究从聚焦技术转向关注人因方面，国内研究目前还处在技术创新阶段，而可靠的安全标准、直观的交互界面、人本的职业健康（人体工程学和人为因素）、共享的空间设计等也是未来值得关注的热点议题。关键词：协作机器人；CiteSpace；研究热点；可视化分析 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)04-0393-13 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.04.050 Research Hotspots and Visual Analysis of Industrial Collaborative Robot LU Ning1,LI Juan1,JIN Lin-yi2(1.School of Art and Design,Xihua University,Chengdu 610039,China;2.Design School,Loughborough University,Loughborough LE11 3TU,UK)ABSTRACT:The work aims to comb,analyze and summarize the research and development history,hotspot evolution and research trends of industrial collaborative robots at home and abroad from 1996 to 2022 based on the perspective of academic literature,so as to provide reference for research and innovation.CiteSpace software was used to select litera-ture samples from the Web of Science core collection database and the CNKI database and visualize the multi-type knowledge graphs such as the time-space distribution of publications on collaborative robot,key word co-occurrence,clustering and timeline.Summary and analysis were carried out from three aspects of cutting-edge technology of collabo-rative robot,human-machine-environment interaction,and intelligent applications.According to the publications and the timeline of key word clustering,the international and Chinese researches on collaborative robot have gone through three stages:the budding period,the exploration period,and the rapid development period.From key word co-occurrence and cluster analysis,the international research on collaborative robot has shifted from focusing on technology to focusing on human factors.The research in China is still in the stage of technological innovation,while reliable safety standards,in-tuitive interactive interfaces,human-oriented occupational health(ergonomics and human factors),shared space design,etc.are also hot topics worthy of attention in the future.KEY WORDS:collaborative robot;CiteSpace;research hotspots;visual analysis 394 包 装 工 程 2023 年 2 月 随着全球劳动力成本的不断增加，制造企业需要开发新技术以提高生产率。机器人技术的更新迭代，使人机协作显示出巨大潜力，协作机器人被广泛地应用在工业、物流、医疗、航空等领域。一方面，协作机器人与传统机器人相比更灵活、高效，它将工人从具有重复性或潜在风险的任务中解脱出来；另一方面，协作机器人多为轻量化设计，成本更低，占地面积更小，更容易集成到现有工作流程中。据国际机器人联合会（IFR）统计，2019 年，协作机器人的安装量占工业机器人的 4.8%，比 2018 年增长 11%，预计到 2030 年，协作机器人的市值将超过 118 亿美元1。工信部统计数据显示，2022 年我国已成为全球最大的工业机器人市场2。随着中国制造 2025 “十四五”机器人产业发展规划等政策的推进，机器人成为我国建设制造强国的重要领域之一3。本研究聚焦工业制造环境中的协作机器人，通过文献计量法梳理1996 年至 2022 年国内外协作机器人的研究文献，运用 CiteSpace 对国内外工业协作机器人文献量的时空分布、关键词共现、聚类和时间线进行可视化分析，为协作机器人的研究和创新提供参考。1 工业协作机器人的定义与发展概述 1.1 协作机器人的定义 在国际工业机器人安全标准 ISO 10218-1 中，协作机器人（Collaborative Robot 或 Cobots）是指在协作区域内，可以与人进行直接交互的机器人。其中“协作区域”是指机器人和人可以同时作业的区域4。一般来讲，协作机器人的结构包含机械臂、末端执行器、制动器、控制器等，简易结构如图 1 所示。与传统的工业机器人不同，协作机器人无需防护装置，可以与工人一起工作，协作机器人一般使用柔性材料，采用安全控制、力限制、传感器等设计，可以避免工人在作业时因误触而导致的受伤，或最大限度地减少接触时的不适感。除了安全特性外，协作机器人的设计更为灵活，末端执行器可以适配多种工具，简易的操控和编程程序，更低的成本，比传统机器人显示出更多优势5。图 1 协作机器人的简化结构6 Fig.1 Simplified structure of collaborative robot6 国际机器人联合会 IFR 根据人与机器人工作模式的不同，将人机协作方式分为以下五种：独立、共存、顺序合作、合作、响应式协作7，如图 2 所示。第一种为独立模式，此时工人与机器人各自独立作业，机器人在安全围栏里操作，该模式并非真正的协作场景；第二种为共存模式，工人和无围栏的机器人一起工作，但不共享工作空间；第三种为顺序合作模式，工人和机器人共享一个工作空间，但在工作流程中的任意时刻只有一方出现在工作空间中；第四种为合作模式，工人和机器人在共享的工作空间中同时执行任务，但他们不会同时刻在同一产品或组件上工作；第五种为响应式协作模式，工人和机器人同时在同一组件上工作，机器人实时响应工人的动态。前三种工作模式在传统工业制造领域比较常见，机器人自动作业，或是在有限的指导下执行一系列重复、复杂的作业，在工作中需要安全围栏防护，不用考虑和工人的近距离互动。随着协作机器人的出现，机器人与工人直接、实时的协作模式，降低了工人重复枯燥的工作强度，提高了企业的生产效率，但对机器人系统、结构和安全标准等方面也提出了更高的要求。1.2 协作机器人的发展概述 1996 年西北大学的 Colgate 等9首次发明了协作机器人。协作机器人是由通用汽车的原型发展起来的，通用汽车公司通过设计“智能协助装置”来实现物料搬运及汽车组装等作业，工人通过操控给装置提 图 2 人与机器人的协作模式8 Fig.2 Human-robot collaboration model8 第 44 卷 第 4 期 陆宁，等：工业协作机器人研究热点及可视化分析 395 供了原动力，这就是早期协作机器人的雏形10。2005年，随着旨在通过机器人技术助力中小企业提高生产力降低成本的欧盟项目的实施，协作机器人迎来了发展契机。协作机器人在不同行业均显示出独特的优势，越来越多的研究机构和企业开始研发协作机器人11。2016 年，国际标准化组织为了进一步规范协作机器人的运行系统和安全环境，发布了新的工业标准 ISOTS 15066-201612，以此推动了协作机器人的标准化生产。国际市场上主流协作机器人特征、应用场景及图例，如表 1 所示。表 1 国际市场上主流协作机器人特征、应用场景及图例简介 Tab.1 Introduction to the characteristics,application scenarios and legends of mainstream collaborative robots in the international market 机器人/发布年份 公司/国家 特征 应用场景 部分产品图例 DLR-LWR III；2003 Institute of Robotics and Mechatronics；德国 单臂 7 自由度；关节扭矩传感器；重 14 kg，负载 14 kg等 装配；移动服务等 DLR LWR 4；2008 Kuka-DLR；德国 单臂 7 自由度；扭矩传感器等 精细的组装；复杂自动化任务等 UR3、UR5、UR10；2015、2008、2010 Universal Robots；丹麦 单臂 6 自由度；碰撞检测；碰撞停止；力矩传感器；直接编程速度降低等 打包；码垛；食品处理；拾取和放置零件等 Baxter；2014 Rethink Robotics；德国 双臂(7+7 自由度)；嵌入式扭矩传感器；视觉引导运动和物体检测 等 取放；五金冲压；注塑、吹塑成型；打包等 LBR iiwa；20