协作机器人三大代表机型伺服系统与传感器配置全解析

Meta Description： 深入剖析安川 MOTOMAN-HC10、优傲 UR5 和新松 7 轴协作机器人在伺服驱动与传感器方面的核心技术，系统解读力矩传感器、安全感知系统与双闭环控制如何实现人机安全协作、低成本部署与高灵活性，探索工业 4.0 时代协作机器人的关键技术路线。

关键词： 协作机器人、力矩传感器、关节扭矩传感器、安全传感器、伺服驱动器、双闭环控制、运动学冗余、7 自由度机器人、人机协作、安全感知、工业 4.0 协作机器人、安川 HC10、优傲 UR5、新松 7 轴、Nexisense

协作机器人作为制造业转型升级的重要推动力量，虽然在近几年才真正走入大众视野，但其概念早在 20 世纪 90 年代便已出现。这类机器人以“与人共存”为设计核心，摒弃了传统工业机器人对安全围栏的强依赖，使人类与机械臂能够在同一空间内高效协作。其优势十分显著：安全性高、部署成本低、应用场景适应性强，且操作简单、易于学习。这些特点大幅降低了中小企业进入自动化生产的门槛，同时也加速了工业 4.0 的深入落地。

根据行业预测数据，从 2015 年到 2020 年，协作机器人市场规模增长了十倍以上，市值从 2014 年的 9500 万美元快速攀升至 10 亿美元。轻量级机型尤为受到市场青睐，其价格有望下降至 1.5 万至 2 万美元区间。TechNavio 分析机构进一步指出，到 2019 年，全球协作机器人市场的年复合增长率高达 50.88%。这些亮眼数据的背后，离不开技术创新的持续推动，尤其是伺服系统与传感器配置的不断优化。本文将以全球三大代表性机型为切入点，深入拆解其底层技术，揭示精密感知与控制如何实现真正的人机和谐共处。

三大代表机型的技术亮点

在协作机器人领域，日系、欧系与国产品牌各具特色，代表着不同的技术发展路径，但在安全性与灵活性方面却殊途同归。下面我们将以安川、优傲和新松的经典机型为例，系统分析其伺服系统与传感器配置如何支撑核心功能实现。

安川 MOTOMAN-HC10：以安全为先的日系典范

安川电机推出的 MOTOMAN-HC10 主打“即插即用”和“零门槛安全”，有效解决了传统机器人部署过程中高成本安全光栅和复杂操作流程的两大痛点。HC10 的所有关节均内置高精度力矩传感器，可实时监测外部力矩变化，分辨率通常可达 0.1 N·m。一旦检测到与人体的接触，系统会立即启动功率与力限制机制，实现快速停止或柔性退让，从而避免潜在的人身伤害。

此外，HC10 的机械臂外表覆盖蓝色柔性吸震材料，该高弹性外壳能够有效吸收碰撞冲击，将接触力峰值降至最低。即便发生意外碰撞，也能将风险控制在可接受范围内。值得一提的是，其紧凑型一体化伺服驱动器直接集成在关节内部，大幅缩短了电缆长度，显著降低了电磁干扰（EMI/RFI），从而提升了系统整体稳定性。这种“硬件感知冗余 + 物理缓冲”的设计，使 HC10 成为首批无需额外安全围栏即可商用部署的协作机器人之一，尤其适合中小企业快速上线应用。

在实际应用中，HC10 常被用于装配线和物料搬运等场景，可与操作人员实现无缝协作。下图展示了 HC10 在真实工厂环境中与人类安全共存的应用画面，其蓝色外壳和关节传感器布局清晰可见：

优傲 UR5：开创协作机器人时代的欧系标杆

作为全球第一款商用协作机器人，优傲 UR5 于 2009 年正式发布，为现代协作机器人奠定了基础基因：模块化设计、图形化编程以及强大的感知能力。UR5 在腕部集成了六维力/力矩传感器，可同时感知三向力与三向力矩，实现高精度力控操作，例如柔性装配、表面抛光以及拖动示教等。这使其在电子制造等精密行业中表现尤为突出，末端重复定位精度可达 ±0.03 mm。

UR5 采用超小型伺服驱动器，紧贴关节安装，并配合 19 位以上高分辨率绝对值编码器，构成速度环与位置环的双闭环控制系统，从而保证了出色的动态响应与运动稳定性。其多层级安全感知体系涵盖关节力矩监测、速度限制、分离防护区以及急停逻辑等，共计 15 项安全功能，完全符合 ISO/TS 15066 标准。UR5 的最大优势在于易用性：通过拖动示教与触摸屏操作界面，即便是非专业人员，也能在数小时内完成上手，大幅降低了传统机器人的编程门槛。

新松 7 轴柔性协作机器人：国产灵活性的突破

新松机器人推出的 7 轴柔性多关节协作机器人，被誉为“太极般的柔性”，是国内首款实现商业化应用的 7 自由度协作机器人。该机型专为狭小空间、复杂姿态和反复扭转操作而设计，支持快速配置、牵引示教、视觉引导以及碰撞检测等功能。7 自由度运动学冗余是其核心优势，相比传统 6 轴机器人，多出的一个自由度可提供更多可行姿态，更容易避开奇异点和环境障碍，特别适用于汽车内饰、航空航天以及医疗器械装配等复杂场景。

该机器人所有关节均配备高精度力矩传感器，可实现实时碰撞检测和恒力控制。其双闭环高性能伺服系统在减速机前端采用增量式编码器与霍尔元件作为速度反馈，在输出端则使用 19 位高分辨率绝对值编码器作为位置反馈，从而显著提升了系统的动态精度。同时，多重安全感知矩阵（包括力矩监测、速度限制和区域防护）进一步增强了人机协作的安全性。在狭小腔体内完成复杂动作时，该机型展现出无可比拟的灵活优势。

协作机器人的核心特性与技术支撑

与传统工业机器人不同，协作机器人强调与人类的无缝融合。这一特性要求其在灵活性、易用性、安全性以及成本控制四个维度之间实现高度平衡，而伺服系统与传感器正是支撑这些特性的底层关键。

灵活性是协作机器人的灵魂。通过运动学冗余设计（如新松的 7 轴结构），机器人能够在有限空间内实现多角度、多姿态操作，突破传统 6 轴结构的限制。易用性主要体现在拖动示教与图形化界面上，显著降低了对专业编程能力的依赖。安全性则依托多层级感知体系，确保在无围栏环境中仍能有效避免碰撞。低成本则通过一体化伺服驱动与模块化结构实现，减少了额外硬件投入。

上述特性的实现，离不开先进技术的高度集成。小型化伺服驱动器嵌入关节内部，使机器人结构更加紧凑，同时增强了抗电磁干扰能力。双闭环控制算法提升了定位精度，确保高速运动下的稳定性。力矩传感器作为机器人的“触觉中枢”，能够感知细微力变化并做出即时响应。激光、摄像头等安全传感器提供环境感知能力，有效避免意外发生。零件检测传感器则在无视觉系统条件下，保障抓取动作的可靠性。

综合三大代表机型可以发现，行业已形成明显共识：一体化伺服驱动器实现结构紧凑化，双闭环控制提升精度，高精度力矩传感器是碰撞检测的核心，多重安全感知构建冗余防护体系。作为工业级传感器领域的专业厂商，Nexisense 推出的关节力矩传感器、六维力传感器以及安全接近传感器，凭借高精度、低延迟和强抗干扰性能，已被多家协作机器人厂商采用，用于优化力控与安全检测方案。

常见问题解答

• 协作机器人与传统工业机器人的主要区别是什么？ 传统工业机器人通常需要与人隔离运行，而协作机器人强调人机共存，通过传感器实现安全互动，部署更灵活，综合成本更低。

• 力矩传感器在协作机器人中的作用是什么？ 力矩传感器可实时监测关节扭矩变化，用于检测碰撞或异常受力，并触发即时停机或力控调整，从而保障人机安全。

• 为什么 7 轴机器人更适合复杂环境？ 更多的自由度提供了姿态冗余，使机器人能够避开障碍和奇异点，显著提升灵活性和容错能力。

• 中小企业应如何选择协作机器人？ 建议优先关注易用性与成本，例如 UR5 的图形化编程或 HC10 的无围栏设计，并根据具体应用场景匹配合适的传感器配置。

• 协作机器人未来的发展趋势是什么？ 感知精度将持续提升，AI 视觉与更智能的伺服系统将进一步融合，推动协作机器人向更精细化应用场景拓展。

  
  

结语

从安川 HC10 的安全即用，到优傲 UR5 的易用性开创，再到新松 7 轴机器人的柔性突破，三大代表机型从不同技术路径诠释了协作机器人的本质：通过伺服系统与传感器的精密协同，实现人与机器的和谐共融。随着制造业持续向智能化升级，对这些核心技术的需求将愈发强烈。以 Nexisense 为代表的本土品牌，正通过可靠的传感器解决方案，推动协作机器人从新兴技术走向工厂标配。拥抱这一变革，不仅能够提升生产效率，也将重新定义人机协作的边界。