后起之秀協(xié)作機(jī)器人趕超前技術(shù)
協(xié) 作型機(jī)器人體現(xiàn)了機(jī)器人發(fā)展的最新趨勢(shì)，他更能適應(yīng)業(yè)內(nèi)對(duì)機(jī)器人柔性化和感知能力等方面提出的要求，而且把人類的靈活性、適應(yīng)性和解決問(wèn)題的能力與機(jī)器人 的力量、耐久性和動(dòng)作的準(zhǔn)確性結(jié)合起來(lái)，為生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)帶來(lái)模式創(chuàng)新，這讓中國(guó)機(jī)器人企業(yè)看到了“擺脫跟隨者角色”的機(jī)會(huì)，中國(guó)協(xié)作機(jī)器人迎來(lái)“彎道超 車”的機(jī)遇。
協(xié)作機(jī)器人市場(chǎng)前景
2014年，全球工業(yè)機(jī)器人制造“四大家族”之一的ABB推出了世界上首款協(xié)作機(jī)器人YuMi，開(kāi)啟了工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)新篇章。未來(lái)工業(yè)4.0時(shí)代，智慧工廠里的生產(chǎn)線柔性化程度更高，機(jī)器人需要與人協(xié)同共享一個(gè)工作空間，人機(jī)協(xié)作機(jī)器人有望成為機(jī)器人領(lǐng)域下一個(gè)增長(zhǎng)點(diǎn)。
瑞士ABB 公司的YuMi
協(xié)作機(jī)器人，是一種可以在一定區(qū)域內(nèi)安全的與人類進(jìn)行直接交互的機(jī)器人。協(xié)作機(jī)器人的操作相對(duì)較為簡(jiǎn)單，是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)分系，在價(jià)格上也比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人“親民”的多。
協(xié)作機(jī)器人的興起意味著傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人必然有某些不足，或者無(wú)法適應(yīng)新的市場(chǎng)需求。主要有三點(diǎn)：
一是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人部署成本高；
二是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人無(wú)法滿足中小企業(yè)需求；
三是無(wú)法滿足新興的協(xié)作市場(chǎng)需求。
和傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人比較，協(xié)作機(jī)器人在體型上就跟它不在一個(gè)檔次。為了達(dá)到“協(xié)作”的目的，機(jī)器人與人類之間的工作距離就不能太遠(yuǎn)，因而，協(xié)作機(jī)器人尺寸都是偏小的，甚至可以直接放置在工作臺(tái)。
除了與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人有近似的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和精確度以外，協(xié)作機(jī)器人還擁有一些傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，例如輕巧、安全、價(jià)格低、靈活性高、友善的操作接口及人機(jī)協(xié)作等特色，不僅使大型企業(yè)的生產(chǎn)流程更上一層樓，也為原本卻步于自動(dòng)化生產(chǎn)的中小型企業(yè)開(kāi)啟新的契機(jī)。
ReThink RoboTIcs的Baxter是新一代協(xié)作工業(yè)機(jī)器人
不管是從市場(chǎng)，還是技術(shù)層面來(lái)講，協(xié)作機(jī)器人都有著不可取代的優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)前景，已然是未來(lái)市場(chǎng)上的一大趨勢(shì)。
據(jù)分析機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets研究報(bào)告，預(yù)計(jì)2016年至2022年期間，協(xié)作機(jī)器人有望年復(fù)合增長(zhǎng)60%，從2015年的接近1.1億美元升值到2022年的超過(guò)33億美元。
協(xié)作機(jī)器人行業(yè)規(guī)范
協(xié) 作型機(jī)器人的有序發(fā)展離不開(kāi)行業(yè)規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)的約束。2013 年5 月，美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)（RIA）宣布新的機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過(guò)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）的認(rèn)可。新ANSI/RIA R15.06-2012 版本標(biāo)準(zhǔn)是1999 版本標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)版，等同于國(guó)際ISO10218:2011 機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)。其中一項(xiàng)對(duì)國(guó)際等同標(biāo)準(zhǔn)的重要升級(jí)覆蓋了人員和機(jī)器人的協(xié)同工作情況。
此標(biāo)準(zhǔn)為協(xié)同機(jī)器人作業(yè)提出了四項(xiàng)要求，確保人員可以靠近一臺(tái)正在運(yùn)行的無(wú)安全護(hù)網(wǎng)的機(jī)器人。處于協(xié)同工作模式下的機(jī)器人必須滿足標(biāo)準(zhǔn)提出的四項(xiàng)要求之一：
安全級(jí)監(jiān)測(cè)站——這種操作模式要求機(jī)器人系統(tǒng)監(jiān)控工作區(qū)域，當(dāng)有人進(jìn)入?yún)f(xié)同工作區(qū)域時(shí)，停止一切動(dòng)作。這種監(jiān)測(cè)可能涉及使用激光監(jiān)測(cè)是否有人跨越工作區(qū)邊緣，切換到監(jiān)測(cè)封閉空間是否打開(kāi)了門，以及類似的東西。
手動(dòng)示教——此類機(jī)器人不具備自主功能，需要工人操作員控制機(jī)器人的每一個(gè)動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)的速度也受到監(jiān)控，并保持在機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)的安全限值內(nèi)。
速度和分離監(jiān)測(cè)——機(jī)器人以這種方式監(jiān)測(cè)和限制他們的運(yùn)動(dòng)速度，并監(jiān)測(cè)協(xié)同工作區(qū)域里各個(gè)部件和工人的距離。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)必須保持在與工人的最小距離之外，或者當(dāng)工人離得太近時(shí)，機(jī)器人將停止運(yùn)動(dòng)。
功率和力量限制——當(dāng)此類機(jī)器人有運(yùn)動(dòng)速度和功率限制的設(shè)計(jì)，當(dāng)它與工人或其他物體接觸時(shí)，內(nèi)置的傳感器就能檢測(cè)到。當(dāng)類似接觸發(fā)生時(shí)，速度和功率限制將使得碰撞能量不足以造成嚴(yán)重傷害。
國(guó)際委員會(huì)起草了ISO 技術(shù)規(guī)范（TS）15066，作為在協(xié)同工作模式下使用此標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)。具體內(nèi)容仍在進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)完成之后需要征得業(yè)界的認(rèn)可才能作為 ISO10218 安全標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。
通 過(guò)這一系列的定義，協(xié)作機(jī)器人的操作并不陌生。當(dāng)配置了恰當(dāng)?shù)墓ぷ鲄^(qū)域限制監(jiān)測(cè)傳感器，并編程實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)時(shí)，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人也能實(shí)現(xiàn)第一種模式的功 能。然而，已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)在第四種模式下運(yùn)行的機(jī)器人，能夠在不受限制的環(huán)境中工作。這種機(jī)器人通常針對(duì)微小零部件組裝或要求高精度搞重復(fù)度的材料搬運(yùn)。通 常這些人物包括協(xié)助工人自動(dòng)完成日常任務(wù)，而工人則處理需要判斷或不易被機(jī)器人替代的操作任務(wù)。
協(xié)作機(jī)器人目前有幾種形式。 其中最常見(jiàn)的一種是單個(gè)機(jī)械臂固定在工作臺(tái)、墻壁或天花板上，可以伸入工作區(qū)工作。類似于Rethink RoboTIcs的Baxter機(jī)器人和ABB的YuMi，外表更像人形，有兩只機(jī)械臂，軀干，甚至還有一個(gè)“頭”。這種機(jī)器人可以獨(dú)自站立，能夠像工人 一樣在工作站操作，因此也更容易像工人一樣進(jìn)入工廠流水線。而另一些，例如Kawada的Nextage，則安裝有輪子，可以快速重新部署。
協(xié)作機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
從 安全防護(hù)網(wǎng)走出來(lái)的協(xié)作機(jī)器人在克服了自身安全隱患，證明自己可以與工人并肩作戰(zhàn)后，等待它們的是更加多樣化的工作任務(wù)和工作環(huán)境。當(dāng)今制造業(yè)以分布式作 業(yè)模式為特征，其生產(chǎn)任務(wù)和環(huán)境的多樣化是無(wú)法避免且又亟待解決的。協(xié)作機(jī)器人若能填補(bǔ)此項(xiàng)技術(shù)空白，將會(huì)成為工業(yè)領(lǐng)域一項(xiàng)劃時(shí)代的突破，將會(huì)降低生產(chǎn)成 本，提高生產(chǎn)效率，甚至重新定義自動(dòng)化制造概念。
機(jī)器人軟件技術(shù)的不斷深化與進(jìn)步給協(xié)作型機(jī)器人的發(fā)展提供了肥沃的土壤，大大增強(qiáng)了協(xié)作型機(jī)器人的“軟實(shí)力”。更為便捷的軟件技術(shù)使得安裝維護(hù)成本驟減，同時(shí)機(jī)器人參數(shù)更改和調(diào)試周期從過(guò)去的數(shù)年數(shù)月縮減到數(shù)天。
主要的軟件技術(shù)有：
1. 柔順運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。對(duì)于焊接、搬運(yùn)和噴涂類工作， 機(jī)器人位置控制足以滿足任務(wù)需求。然而對(duì)于切削、打磨拋光，尤其是裝配等作業(yè)中，柔順運(yùn)動(dòng)控制是必不可少的。這是因?yàn)楹附訃娡康葘?duì)于位置精度的要求非常 高，需要在運(yùn)動(dòng)方向上表現(xiàn)出很硬的特性，也就是很大的剛性；而打磨裝配中需要在運(yùn)動(dòng)方向上實(shí)現(xiàn)力控制，因此需要有較軟的特性， 也就是較小的剛性。
2．高級(jí)人工智能。人工智能（ArTIficial Intelligence）是對(duì)人的意識(shí)、思維的信息過(guò)程的模擬，將此模擬結(jié)果賦予機(jī)器人，則機(jī)器人就可以像人類一樣傳感器集成化和機(jī)器視覺(jué)。機(jī)器人傳感器是用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人自身的工作狀態(tài)，
以及機(jī)器人智能探測(cè)外部工作環(huán)境和對(duì)象狀態(tài)的核心部件。機(jī)器人傳感器能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，反饋到中央處理系統(tǒng)或末端執(zhí)行器上。而為了實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜、動(dòng)態(tài)以及不確定性環(huán)境下的行動(dòng)自主性，需要快速集成 視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、壓覺(jué)、熱覺(jué)和力覺(jué)等不同功能的傳感器，通過(guò)合理組合，形成機(jī)器人的感知系統(tǒng)。傳感器集成化將促使機(jī)器人對(duì)未建模或半建模狀態(tài)的外界環(huán)境變化做出實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、靈活的行為響應(yīng)， 協(xié)作機(jī)器人也將能夠更快地適應(yīng)不同要求的作業(yè)場(chǎng)合。
3．可擴(kuò)展軟件架構(gòu)。軟件架構(gòu)的可擴(kuò)展性決定了機(jī)器人能在多大程度上整合更
多功能模塊而不超出系統(tǒng)可承受范圍。目前研究熱點(diǎn)之一的可重構(gòu)機(jī)器人 （Reconfigurable Robot）就是基于可擴(kuò)展的軟硬件平臺(tái)發(fā)展而來(lái)的。未來(lái)機(jī)器人市場(chǎng)將會(huì)向以功能模塊為單位，并且針對(duì)各個(gè)不同的作業(yè)要求個(gè)性化定制的方向發(fā)展。
寶馬工廠中工人和協(xié)作機(jī)器人一同作業(yè)
國(guó)內(nèi)外主要協(xié)作機(jī)器人公司
目前研發(fā)協(xié)作型機(jī)器人的企業(yè)分成三類：一是擁有核心技術(shù)的創(chuàng)新型企業(yè)，例如丹麥Universal Robots的UR系列機(jī)器人和美國(guó)Rethink RoboTIcs的Baxter 和Sawyer協(xié)作機(jī)器人;二是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人巨頭，比如ABB的YuMi協(xié)作機(jī)器人Kuka的LBR iiwa智能工業(yè)工作助理等;三是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，比如谷歌、亞馬遜等，這些類型企業(yè)大都具備核心技術(shù)、大量業(yè)內(nèi)資源、以及資本運(yùn)作等優(yōu)勢(shì)。
國(guó)內(nèi)已有新松機(jī)器人、廣州啟帆、山思躍立、遠(yuǎn)榮機(jī)器人等為代表的自主品牌協(xié)作型機(jī)器人。
表1：國(guó)內(nèi)外主要協(xié)作機(jī)器人公司
中國(guó)協(xié)作機(jī)器人迎“彎道超車”機(jī)遇
在機(jī)器人領(lǐng)域，國(guó)外巨頭在核心零部件積累了多年的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，具有壟斷地位，我國(guó)機(jī)器人處于追趕者的角色，占領(lǐng)制高點(diǎn)難度較大。如何去彎道超車，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)人要換個(gè)角度去思考，需要看到行業(yè)的新興領(lǐng)域。
比如機(jī)器人在汽車領(lǐng)域應(yīng)用已非常廣泛和成熟，但在電子行業(yè)由于市場(chǎng)需求的多樣性，對(duì)人機(jī)協(xié)作的需求更高。近幾年來(lái)，3C產(chǎn)品的銷量一直處于穩(wěn)步增長(zhǎng)中。協(xié)作機(jī)器人的柔性、靈活度和精準(zhǔn)度正好符合了3C產(chǎn)品配件安裝等工作的要求。
中國(guó)目前許多產(chǎn)業(yè)正處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，中小企業(yè)對(duì)低成本自動(dòng)化有強(qiáng)烈的需求。我國(guó)共擁有超過(guò)5000萬(wàn)家企業(yè)，其中中小企業(yè)就占了99%，而低成本自動(dòng)化向來(lái)都是中小企業(yè)夢(mèng)寐以求的生產(chǎn)模式。
傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的價(jià)格一般在10萬(wàn)-40萬(wàn)人民幣之間，而要將其應(yīng)用到企業(yè)生產(chǎn)線， 還將要多出2-3倍的部署花費(fèi)，這個(gè)支出對(duì)于利潤(rùn)微薄的中小企業(yè)而言是承受不起的；而協(xié)作機(jī)器人的價(jià)格一般介于2-3萬(wàn)美元，因?yàn)槭∪チ瞬渴鸬倪^(guò)程，從而比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人少去了那個(gè)“大頭”的支出。因此協(xié)作機(jī)器人顯然更適合中小企業(yè)。
出于效率的需求，人們?cè)谏a(chǎn)線上引入了工業(yè)機(jī)器人，但由于安全性的欠缺，工業(yè)機(jī)器人又只能被限制在一個(gè)“監(jiān)獄”之內(nèi)，再加上體積龐大等因素，要想完成一些細(xì)致的工作，對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，真的是太難了。
在 這方面，協(xié)作機(jī)器人就填補(bǔ)了這個(gè)空缺。對(duì)于一些講究細(xì)致的工作，其準(zhǔn)確性與靈活性在很大程度上能夠滿足工作的需求，而它緩慢的速度也為人類提供了一些安全 保障。像3C產(chǎn)品的裝配，一邊是協(xié)作機(jī)器人準(zhǔn)確地零件放置，一邊是人類的快速組裝，兩處相得益彰，大大提高了生產(chǎn)線的效率。
如今的制造業(yè)日新月異，其技術(shù)需求也發(fā)生了巨變。企業(yè)們?cè)趯で笕露?jīng)濟(jì)的方式來(lái)滿足不斷變化的客戶需求，具備靈活性的自動(dòng)化也隨之成為全球眾多工廠的優(yōu)先考量事項(xiàng)。
協(xié)作機(jī)器人將用到很多先進(jìn)技術(shù)，其中包括機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，這將有助于國(guó)內(nèi)企業(yè)切入機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上游環(huán)節(jié)，提升附加值。
由于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)主要依靠的軟件服務(wù)、半導(dǎo)體芯片和傳感器等硬件產(chǎn)品已經(jīng)在我國(guó)已具備良好的發(fā)展基礎(chǔ)，從而有助于國(guó)內(nèi)企業(yè)快速進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈上游開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，而且對(duì)于加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的智能化和綠色化發(fā)展具有重要的意義。
結(jié)語(yǔ)：目前從小型作坊，到橫跨全球的制造業(yè)巨無(wú)霸，都已經(jīng)呈現(xiàn)出制造業(yè)的未來(lái)形態(tài)，智能協(xié)作機(jī)器人正在引領(lǐng)制造業(yè)邁向生產(chǎn)效率更高的將來(lái)。隨著技術(shù)的發(fā)展，相信協(xié)作機(jī)器人最終將變成一個(gè)過(guò)渡概念，未來(lái)所有的機(jī)器人都應(yīng)該具備與人類一起安全的協(xié)同工作的特性。
朱先生