多机器人协作：从单机器人智能到系统智能

您好，我是 HONPINE 创始人 Allen Li。

过去几年间，我们一直在深入思考一个问题：什么将定义机器人技术的下一阶段？是让单台机器人具备越来越强的能力，还是让多台机器人作为一个智能系统协同工作？

我相信这两个方向都很重要。单机器人智能将持续进步，但随着机器人进入物流、制造、建筑、检测、特种作业、人形机器人和智能自动化等日益复杂的应用场景，单台机器人独立完成任务的能力存在明显局限。

更让我感兴趣的是，机器人正从独立工作转变为互联的系统节点，能够共享信息、分配任务、协调运动并响应环境变化。

这正是我认为多机器人协作将成为未来机器人技术发展的重要方向之一的原因。

多机器人协作不只是简单增加机器人数量

人们初次想到多机器人系统时，很自然会认为，如果一台机器人能够完成一项任务，那么十台机器人应该能够完成十倍的任务。

但在实际应用中，情况要复杂得多。

当单台机器人独立运行时，核心问题通常是：“我如何完成自己的任务？”

当多台机器人在同一环境中运行时，问题就变得更加困难：“我们如何在互不干扰的情况下共同完成任务？”

以自动化仓库为例，多台 AGV 同时运输物料。如果两台移动机器人同时接近一条狭窄通道，哪台机器人应当优先通行？如果多台机器人都可执行同一任务，应选择哪一台？如果距离任务最近的机器人突然发生故障，应由哪台机器人接管？如果多台机器人需要进入同一工作空间，应如何协调访问和运动？

这些已不再只是单台机器人的运动控制问题，而是系统层面的协调与组织问题。

因此，一个成功的多机器人系统所需的不仅是增加机器设备。机器人还需要共同理解自身状态、其他机器人的状态、正在执行的任务以及下一步可能发生的动作。

在典型的 ROS2 多机器人架构中，分布式通信、命名空间管理、任务分配、编队控制、状态同步和碰撞规避共同构成机器人协同运行的基础。

这使我得出一个重要结论：未来机器人的竞争力不仅取决于单台机器人的能力，也取决于整个机器人系统协同工作的效率。

从单机器人智能到系统智能

我相信，这代表着机器人行业的一项重要转变。

传统上，我们评估机器人时，会关注负载、定位精度、速度、重复精度、关节扭矩、刚度和可靠性等参数。这些规格将始终是基础。

然而，一旦机器人开始作为协同系统运行，我们就需要提出更广泛的问题。

机器人能否持续了解其他机器人所在的位置？能否知道其他机器人正在执行什么任务？能否实时共享自身运行状态？能否在异常状况演变为故障之前识别出来？当运行条件发生变化时，系统能否快速重新分配任务？如果通信中断或某台机器人无法使用，会发生什么？

这些问题揭示了机器人架构的根本变化。

机器人不再只是一台执行预定义任务的机器。它正在成为一个联网、具备状态感知能力并能够协作的智能节点。

多机器人系统的发展已涉及分布式通信、任务分配、状态同步、编队控制和碰撞规避。随着这些技术逐步成熟，单台机器人与更大机器人系统之间的边界将日益互联。

这让我想到另一个对 HONPINE 尤为重要的问题：

如果机器人的智能正向上延伸到系统层面，那么实际产生机器人运动的关节又应如何发展？

机器人关节应不仅仅是机器人的“肌肉”

这是我们在 HONPINE 一直探索的问题之一。

按照传统对机器人关节的定义，其主要职责很直接：将控制器发出的运动指令转换为机械运动。

因此，典型的一体化机器人关节模组可能由精密减速器、电机、编码器、制动器和驱动系统组成。这种架构已被证明对传统工业机器人十分有效。

但我相信，未来机器人将需要更多能力。

如果机器人需要参与多机器人协作，其关节不能只知道被指令旋转了多少角度，还需要了解自身的运行状态。

实际输出位置是多少？当前速度是多少？关节承载了多大负荷？温度是否处于安全范围内？通信链路是否正常工作？制动器是否正常运行？电机侧与输出侧的位置之间是否存在异常偏差？关节是否出现异常扭矩或过载状况？

当这些信息能够持续采集并传输至机器人控制系统时，关节就不再只是一个被动执行器。

它将成为机器人运动状态信息的重要来源。

这就是我对下一代智能机器人关节的理解。

为什么双编码器变得日益重要？

这也是 HONPINE 高度重视双编码器技术的原因。

在传统的单编码器配置中，系统可以从电机侧获取反馈。然而，机器人的实际机械运动发生在减速机构的输出侧。

电机旋转量并不一定代表最终输出端实际发生的精确运动。

因此，电机侧编码器和输出侧编码器能够发挥不同但互补的作用。

电机侧编码器可为电机换相、速度控制和电机位置提供反馈。输出侧编码器则可直接测量传动阶段后机器人关节的实际位置。

随着机器人对运动精度、动态响应和状态监测提出更高要求，输出侧反馈的价值日益凸显。

对于多机器人协作而言，这一点更为重要。如果每个关节都能准确确定自身的实际运动状态，机器人控制器就能构建更可靠的机器人实时模型。

从这个角度看，双编码器不仅仅是提高关节定位精度的方式，更提供了一种更完整的反馈机制，用于了解机器人的实际运动状态。

从位置反馈到扭矩与力感知

然而，对于许多未来机器人应用而言，仅仅了解关节所处的位置还不够。

对于协作机器人、人形机器人、力控系统和多机器人操作，另一个问题变得至关重要：

机器人正在承受多大的力或扭矩？

设想两台机器人协同搬运同一个物体。如果每台机器人只知道自身位置，却不了解施加在物体上的力或扭矩信息，保持稳定的协同运动将变得更加困难。

人形机器人在与人或环境进行物理交互时，也面临类似挑战。仅凭位置信息无法完整描述机器人与外部世界之间的交互。

这正是我认为机器人关节模组的发展将逐步从位置反馈，转向位置、扭矩、力和全面关节状态信息相结合的原因。

问题不再仅仅是关节能否准确运动。我们还需要了解，关节能否准确感知运动过程中正在发生的情况。

对 HONPINE 而言，这使一体化扭矩感知机器人关节成为持续研发的重要领域。

机器人关节正在成为联网运动节点

另一个重要趋势是机器人关节的连接性不断增强。

在传统机器人架构中，控制器与关节之间的关系相对简单：控制器发送指令，关节执行指令。

未来机器人系统可能需要更加丰富的交互。

每个关节都可以成为机器人实时控制网络中的一个节点。它可以接收运动指令，同时报告位置、速度、扭矩、温度、电流、故障状态、制动器状态和安全状态等信息。

这一概念与分布式多机器人系统的发展天然契合，因为实时通信和状态同步是协同运行的关键。

从 HONPINE 的角度来看，这意味着机器人关节模组的开发不能只关注机械性能。

我们需要考虑机械传动、电气集成、感知、通信和安全的完整架构。

精密减速器仍然是基础，但完整关节的价值越来越体现在这些技术如何有效协同。

安全将成为智能机器人关节的基础能力

随着机器人越来越接近人类，安全将变得日益重要。

对于协作机器人、人形机器人、移动机器人、工程机器人和其他在动态环境中运行的系统而言尤其如此。一个关节发生故障，不仅可能影响机器人本身，也可能影响整个机器人系统的运行。

因此，未来机器人关节模组需要更全面的安全机制，包括过流保护、过温保护、编码器错误检测、位置偏差监测、异常扭矩检测、通信故障检测和安全扭矩控制。

例如，除制动功能外，HONPINE 的HAG 系列集成了STO（安全扭矩关闭），作为其安全架构的一部分。

制动器与 STO 的用途不同。制动器可以在特定条件下帮助保持关节的机械位置，而 STO 则提供驱动层面的安全功能，防止电机产生扭矩。

在我看来，这些功能不应被视为彼此的替代品。它们可以在更全面的机器人安全架构中形成互补层级。

我相信，安全功能将逐步从可选特性转变为智能机器人关节的基础能力。

HONPINE 为什么要重新思考机器人关节模组？

当我们综合考虑这些发展趋势时，就会发现未来的机器人关节可能远不只是谐波减速器、电机、编码器和制动器的组合。

先进的一体化机器人关节可在紧凑的架构中集成精密传动、电机技术、双编码器反馈、扭矩感知、集成驱动电子设备、实时通信、安全功能和关节状态监测。

更重要的是，这些功能不应作为孤立组件存在，而需要作为一体化智能运动节点协同工作。

这是HONPINE 机器人关节模组研发的重要方向。

我们不仅关注让机器人关节更小、更轻或具备更高扭矩。这些仍是重要的工程目标，但并非全部。

我们还在思考，机器人关节如何提供更完整的运动状态感知、通信、安全和执行能力。

我相信，这将成为下一代智能执行器区别于传统机器人执行器的关键所在。

HONPINE 下一代机器人关节模组的发展方向

从产品和技术角度来看，我认为 HONPINE 应针对不同机器人应用开发多个相互补充的机器人关节平台。

HPJM：高可靠性、高扭矩机器人关节

HPJM 面向对高扭矩、刚度、可靠性和长期稳定性要求严苛的应用。

工业机器人、工程机器人、移动机器人和重载机器人系统通常需要的不仅是定位精度。其关节模组必须承受严苛负载，同时在长期运行中保持可靠的运动性能。

对于这些应用，开发重点仍然是高扭矩、高刚度、精密传动和高可靠性。

HAG：集成驱动、安全与通信

HAG 代表着向高度集成智能机器人关节发展的另一方向。

通过将精密减速器、电机、编码器、驱动电子设备、通信接口和安全功能集成于紧凑的关节架构中，我们可以降低系统集成复杂度，并使关节更易于集成到完整的机器人平台。

该架构尤其适用于人形机器人、协作机器人、移动机器人及其他重视空间、布线、系统集成和分布式控制的应用。

TCHL：用于力控制与动态交互的机器人关节

对于协作机器人、人形机器人以及需要受控物理交互的机器人系统，扭矩信息变得日益重要。

一体化扭矩感知使机器人不仅能够了解其关节的位置和运动，还能了解与这些运动相关的力和扭矩。

在我看来，未来机器人关节的问题不再仅仅是：

该关节能否准确运动？

还在于：

该关节能否在运动时准确了解自身所承受的情况？

这正是扭矩感知机器人关节将成为 HONPINE 未来技术路线图重要组成部分的原因。

真正的机遇在于关节智能

如果要我概括 HONPINE 对下一代机器人关节模组的理解，我不会聚焦于某一项单独的硬件规格。

我认为最值得关注的概念是关节智能。

智能机器人关节应具备监测自身运行状态并向机器人控制器提供有用信息的能力。

例如，它应能识别异常温度状况，发现电机侧与输出侧编码器反馈之间的异常差异，检测异常扭矩，对通信中断作出适当响应，并在必要时进入预定义的安全状态。

随着运行数据不断积累，关节还可支持健康监测和早期故障检测。

换言之，关节应从简单执行指令，发展为具备感知、监测、反馈、保护和运动执行能力的更完整单元。

我相信，这正是智能执行器能够为未来机器人系统创造重要价值的地方。

在多机器人协作时代，机器人关节模组将如何发展？

让我们回到最初的问题。

为什么多机器人协作将变得日益重要？

因为机器人正逐步从独立机器演变为互联的系统，能够共享信息、分配任务、协调运动，并共同响应不断变化的条件。

在这一系统中，上层软件负责任务规划、路径规划、任务分配、机器人协调和系统级决策。

机器人关节负责将这些决策转化为精确、可靠且安全的物理运动。

这使机器人关节模组成为连接机器人智能与机器人运动的关键接口。

随着机器人架构不断演进，上层系统可能变得更加智能，而关节则需要提供更加准确的感知、通信、安全和运动执行能力。

因此，关节成为机器人智能运动层的重要组成部分。

HONPINE 不应只打造更好的减速器

这是我作为 HONPINE 创始人经常思考的问题之一。

如果我们仅将自己定义为减速器制造商，那么研发自然会聚焦于传动效率、精度、使用寿命、扭矩能力、刚度、尺寸和重量。

这些是基础技术，HONPINE 将继续投入其中。

但是，当我着眼于机器人技术更广泛的发展时，我相信我们的目标应当走得更远。

我们应持续从精密减速器发展至执行器，从执行器发展至一体化机器人关节模组，并从一体化关节模组迈向智能运动节点。

这不仅仅是在我们的产品组合中增加更多产品。

它代表着我们对机器人核心运动部件角色理解的变化。

精密谐波减速器为精确传动提供基础。

一体化执行器结合传动与电机技术。

智能机器人关节则增加了感知、控制、通信和安全功能。

这些技术共同能够在机器人的智能与其同现实世界的物理交互之间，形成关键的运动层。

未来的机器人可能不只是一台机器人

我相信，机器人行业正朝着重大的结构性变革发展。

过去，我们主要讨论一台机器人能做什么。

未来，我们可能会越来越多地讨论一个机器人系统能够完成什么。

我们过去关注单台机器人能够具备多强的能力。

接下来的问题是，多台机器人如何协同完成单台机器难以或无法完成的任务。

随着机器人从单体机器迈向协同系统，并从单机器人智能迈向系统智能，机器人关节模组也必须随之发展。

它们不能继续仅仅作为机器人的机械“肌肉”。

它们需要成为智能运动部件，能够感知运行状态、执行精确运动、与机器人控制系统通信，并为整体系统安全与可靠性作出贡献。

我相信，这是 HONPINE 应持续投入的发展方向。

我们的目标不仅仅是制造更好的谐波减速器或性能更高的机器人关节。

我们希望为未来机器人构建智能运动层。

这就是我对 HONPINE 在机器人技术下一阶段中角色的理解。

为智能自动化的未来注入动力。

— Allen Li

创始人，HONPINE