后起之秀協(xié)作機器人趕超前技術(shù)
協(xié) 作型機器人體現了機器人發(fā)展的最新趨勢，他更能適應業(yè)內對機器人柔性化和感知能力等方面提出的要求，而且把人類(lèi)的靈活性、適應性和解決問(wèn)題的能力與機器人 的力量、耐久性和動(dòng)作的準確性結合起來(lái)，為生產(chǎn)裝配環(huán)節帶來(lái)模式創(chuàng )新，這讓中國機器人企業(yè)看到了“擺脫跟隨者角色”的機會(huì )，中國協(xié)作機器人迎來(lái)“彎道超 車(chē)”的機遇。
協(xié)作機器人市場(chǎng)前景
2014年，全球工業(yè)機器人制造“四大家族”之一的ABB推出了世界上首款協(xié)作機器人YuMi，開(kāi)啟了工業(yè)機器人的一個(gè)新篇章。未來(lái)工業(yè)4.0時(shí)代，智慧工廠(chǎng)里的生產(chǎn)線(xiàn)柔性化程度更高，機器人需要與人協(xié)同共享一個(gè)工作空間，人機協(xié)作機器人有望成為機器人領(lǐng)域下一個(gè)增長(cháng)點(diǎn)。
瑞士ABB 公司的YuMi
協(xié)作機器人，是一種可以在一定區域內安全的與人類(lèi)進(jìn)行直接交互的機器人。協(xié)作機器人的操作相對較為簡(jiǎn)單，是工業(yè)機器人的一個(gè)分系，在價(jià)格上也比傳統工業(yè)機器人“親民”的多。
協(xié)作機器人的興起意味著(zhù)傳統工業(yè)機器人必然有某些不足，或者無(wú)法適應新的市場(chǎng)需求。主要有三點(diǎn)：
一是傳統工業(yè)機器人部署成本高；
二是傳統工業(yè)機器人無(wú)法滿(mǎn)足中小企業(yè)需求；
三是無(wú)法滿(mǎn)足新興的協(xié)作市場(chǎng)需求。
和傳統工業(yè)機器人比較，協(xié)作機器人在體型上就跟它不在一個(gè)檔次。為了達到“協(xié)作”的目的，機器人與人類(lèi)之間的工作距離就不能太遠，因而，協(xié)作機器人尺寸都是偏小的，甚至可以直接放置在工作臺。
除了與傳統工業(yè)機器人有近似的運轉速度和精確度以外，協(xié)作機器人還擁有一些傳統工業(yè)機器人所沒(méi)有的優(yōu)勢，例如輕巧、安全、價(jià)格低、靈活性高、友善的操作接口及人機協(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。
ReThink RoboTIcs的Baxter是新一代協(xié)作工業(yè)機器人
不管是從市場(chǎng)，還是技術(shù)層面來(lái)講，協(xié)作機器人都有著(zhù)不可取代的優(yōu)勢與市場(chǎng)前景，已然是未來(lái)市場(chǎng)上的一大趨勢。
據分析機構MarketsandMarkets研究報告，預計2016年至2022年期間，協(xié)作機器人有望年復合增長(cháng)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)作機器人行業(yè)規范
協(xié) 作型機器人的有序發(fā)展離不開(kāi)行業(yè)規范和安全標準的約束。2013 年5 月，美國機器人工業(yè)協(xié)會(huì )（RIA）宣布新的機器人安全標準已經(jīng)通過(guò)美國國家標準學(xué)會(huì )（ANSI）的認可。新ANSI/RIA R15.06-2012 版本標準是1999 版本標準的升級版，等同于國際ISO10218:2011 機器人安全標準。其中一項對國際等同標準的重要升級覆蓋了人員和機器人的協(xié)同工作情況。
此標準為協(xié)同機器人作業(yè)提出了四項要求，確保人員可以靠近一臺正在運行的無(wú)安全護網(wǎng)的機器人。處于協(xié)同工作模式下的機器人必須滿(mǎn)足標準提出的四項要求之一：
安全級監測站——這種操作模式要求機器人系統監控工作區域，當有人進(jìn)入協(xié)同工作區域時(shí)，停止一切動(dòng)作。這種監測可能涉及使用激光監測是否有人跨越工作區邊緣，切換到監測封閉空間是否打開(kāi)了門(mén)，以及類(lèi)似的東西。
手動(dòng)示教——此類(lèi)機器人不具備自主功能，需要工人操作員控制機器人的每一個(gè)動(dòng)作。運動(dòng)的速度也受到監控，并保持在機器人內部系統的安全限值內。
速度和分離監測——機器人以這種方式監測和限制他們的運動(dòng)速度，并監測協(xié)同工作區域里各個(gè)部件和工人的距離。機器人的運動(dòng)必須保持在與工人的最小距離之外，或者當工人離得太近時(shí)，機器人將停止運動(dòng)。
功率和力量限制——當此類(lèi)機器人有運動(dòng)速度和功率限制的設計，當它與工人或其他物體接觸時(shí)，內置的傳感器就能檢測到。當類(lèi)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重傷害。
國際委員會(huì )起草了ISO 技術(shù)規范（TS）15066，作為在協(xié)同工作模式下使用此標準的指導。具體內容仍在進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)完成之后需要征得業(yè)界的認可才能作為 ISO10218 安全標準的補充。
通 過(guò)這一系列的定義，協(xié)作機器人的操作并不陌生。當配置了恰當的工作區域限制監測傳感器，并編程實(shí)現恰當的反應時(shí)，傳統工業(yè)機器人也能實(shí)現第一種模式的功 能。然而，已經(jīng)開(kāi)始出現在第四種模式下運行的機器人，能夠在不受限制的環(huán)境中工作。這種機器人通常針對微小零部件組裝或要求高精度搞重復度的材料搬運。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器人替代的操作任務(wù)。
協(xié)作機器人目前有幾種形式。 其中最常見(jiàn)的一種是單個(gè)機械臂固定在工作臺、墻壁或天花板上，可以伸入工作區工作。類(lèi)似于Rethink RoboTIcs的Baxter機器人和ABB的YuMi，外表更像人形，有兩只機械臂，軀干，甚至還有一個(gè)“頭”。這種機器人可以獨自站立，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(chǎng)流水線(xiàn)。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)作機器人發(fā)展趨勢
從 安全防護網(wǎng)走出來(lái)的協(xié)作機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)作機器人若能填補此項技術(shù)空白，將會(huì )成為工業(yè)領(lǐng)域一項劃時(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。
機器人軟件技術(shù)的不斷深化與進(jìn)步給協(xié)作型機器人的發(fā)展提供了肥沃的土壤，大大增強了協(xié)作型機器人的“軟實(shí)力”。更為便捷的軟件技術(shù)使得安裝維護成本驟減，同時(shí)機器人參數更改和調試周期從過(guò)去的數年數月縮減到數天。
主要的軟件技術(shù)有：
1. 柔順運動(dòng)控制技術(shù)。對于焊接、搬運和噴涂類(lèi)工作， 機器人位置控制足以滿(mǎn)足任務(wù)需求。然而對于切削、打磨拋光，尤其是裝配等作業(yè)中，柔順運動(dòng)控制是必不可少的。這是因為焊接噴涂等對于位置精度的要求非常 高，需要在運動(dòng)方向上表現出很硬的特性，也就是很大的剛性；而打磨裝配中需要在運動(dòng)方向上實(shí)現力控制，因此需要有較軟的特性， 也就是較小的剛性。
2．高級人工智能。人工智能（ArTIficial Intelligence）是對人的意識、思維的信息過(guò)程的模擬，將此模擬結果賦予機器人，則機器人就可以像人類(lèi)一樣傳感器集成化和機器視覺(jué)。機器人傳感器是用來(lái)檢測機器人自身的工作狀態(tài)，
以及機器人智能探測外部工作環(huán)境和對象狀態(tài)的核心部件。機器人傳感器能感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號，反饋到中央處理系統或末端執行器上。而為了實(shí)現在復雜、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，形成機器人的感知系統。傳感器集成化將促使機器人對未建?；虬虢顟B(tài)的外界環(huán)境變化做出實(shí)時(shí)、準確、靈活的行為響應， 協(xié)作機器人也將能夠更快地適應不同要求的作業(yè)場(chǎng)合。
3．可擴展軟件架構。軟件架構的可擴展性決定了機器人能在多大程度上整合更
多功能模塊而不超出系統可承受范圍。目前研究熱點(diǎn)之一的可重構機器人 （Reconfigurable Robot）就是基于可擴展的軟硬件平臺發(fā)展而來(lái)的。未來(lái)機器人市場(chǎng)將會(huì )向以功能模塊為單位，并且針對各個(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(chǎng)中工人和協(xié)作機器人一同作業(yè)
國內外主要協(xié)作機器人公司
目前研發(fā)協(xié)作型機器人的企業(yè)分成三類(lèi)：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系列機器人和美國Rethink RoboTIcs的Baxter 和Sawyer協(xié)作機器人;二是傳統工業(yè)機器人巨頭，比如ABB的YuMi協(xié)作機器人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(lèi)型企業(yè)大都具備核心技術(shù)、大量業(yè)內資源、以及資本運作等優(yōu)勢。
國內已有新松機器人、廣州啟帆、山思躍立、遠榮機器人等為代表的自主品牌協(xié)作型機器人。
表1：國內外主要協(xié)作機器人公司
中國協(xié)作機器人迎“彎道超車(chē)”機遇
在機器人領(lǐng)域，國外巨頭在核心零部件積累了多年的經(jīng)驗和技術(shù)，具有壟斷地位，我國機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(chē)，我國機器人產(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。
比如機器人在汽車(chē)領(lǐng)域應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，對人機協(xié)作的需求更高。近幾年來(lái)，3C產(chǎn)品的銷(xiāo)量一直處于穩步增長(cháng)中。協(xié)作機器人的柔性、靈活度和精準度正好符合了3C產(chǎn)品配件安裝等工作的要求。
中國目前許多產(chǎn)業(yè)正處于轉型的關(guān)鍵期，中小企業(yè)對低成本自動(dòng)化有強烈的需求。我國共擁有超過(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。
傳統工業(yè)機器人的價(jià)格一般在10萬(wàn)-40萬(wàn)人民幣之間，而要將其應用到企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)， 還將要多出2-3倍的部署花費，這個(gè)支出對于利潤微薄的中小企業(yè)而言是承受不起的；而協(xié)作機器人的價(jià)格一般介于2-3萬(wàn)美元，因為省去了部署的過(guò)程，從而比傳統工業(yè)機器人少去了那個(gè)“大頭”的支出。因此協(xié)作機器人顯然更適合中小企業(yè)。
出于效率的需求，人們在生產(chǎn)線(xiàn)上引入了工業(yè)機器人，但由于安全性的欠缺，工業(yè)機器人又只能被限制在一個(gè)“監獄”之內，再加上體積龐大等因素，要想完成一些細致的工作，對于傳統工業(yè)機器人來(lái)說(shuō)，真的是太難了。
在 這方面，協(xié)作機器人就填補了這個(gè)空缺。對于一些講究細致的工作，其準確性與靈活性在很大程度上能夠滿(mǎn)足工作的需求，而它緩慢的速度也為人類(lèi)提供了一些安全 保障。像3C產(chǎn)品的裝配，一邊是協(xié)作機器人準確地零件放置，一邊是人類(lèi)的快速組裝，兩處相得益彰，大大提高了生產(chǎn)線(xiàn)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)們在尋求全新而經(jīng)濟的方式來(lái)滿(mǎn)足不斷變化的客戶(hù)需求，具備靈活性的自動(dòng)化也隨之成為全球眾多工廠(chǎng)的優(yōu)先考量事項。
協(xié)作機器人將用到很多先進(jìn)技術(shù)，其中包括機器視覺(jué)技術(shù)，這將有助于國內企業(yè)切入機器人產(chǎn)業(yè)上游環(huán)節，提升附加值。
由于機器視覺(jué)技術(shù)主要依靠的軟件服務(wù)、半導體芯片和傳感器等硬件產(chǎn)品已經(jīng)在我國已具備良好的發(fā)展基礎，從而有助于國內企業(yè)快速進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈上游開(kāi)發(fā)環(huán)節，而且對于加快制造業(yè)轉型升級，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現制造過(guò)程的智能化和綠色化發(fā)展具有重要的意義。
結語(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)呈現出制造業(yè)的未來(lái)形態(tài)，智能協(xié)作機器人正在引領(lǐng)制造業(yè)邁向生產(chǎn)效率更高的將來(lái)。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，相信協(xié)作機器人最終將變成一個(gè)過(guò)渡概念，未來(lái)所有的機器人都應該具備與人類(lèi)一起安全的協(xié)同工作的特性。
朱先生