工業(yè)4.0中的機器人向協(xié)作機器人演進(jìn)

工業(yè)機器人出現(xiàn)在工業(yè)3.0的黎明，沿著計算機控制和自動化，并經(jīng)過多年的發(fā)展，成為各種行業(yè)和過程的專業(yè)化。機器人是為大規(guī)模生產(chǎn)而設(shè)計的;它們通常是孤獨的，在相對孤立的情況下完成特定的任務(wù)。隨著工業(yè)4.0、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)，一些機器人演變成協(xié)作機器人，稱為協(xié)作機器人。協(xié)作機器人與其環(huán)境（包括人和其他機器人）交互，并支持靈活制造和大規(guī)模定制（圖1）。

圖1：傳統(tǒng)的工業(yè)機器人（左）孤立地運行，而協(xié)作機器人（右）被設(shè)計為與其環(huán)境（包括人和其他機器人或機器）交互。（圖片來源：Omron）

從機器人到協(xié)作機器人的進(jìn)化路徑包括許多適應(yīng)：協(xié)作機器人的操作不同;它們的編程不同;它們往往更小，更簡單，在某些情況下，移動的;與機器人相比，它們用于不同的過程，它們必須遵守不同的安全標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)作機器人通常不會與機器人競爭或取代機器人;協(xié)作機器人擴大了采用自動化流程的機會。

本文追溯了機器人向協(xié)作機器人的演變：比較了機器人和協(xié)作機器人的不同操作方式;回顧了協(xié)作機器人使用的不同編程方法;討論了人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)和其他技術(shù)的使用，以實現(xiàn)協(xié)作機器人的移動性和與人的交互;詳細(xì)介紹了cobots擅長的一些應(yīng)用，如過程精加工操作，質(zhì)量控制，物流/材料運輸?shù)?并審查了協(xié)作機器人的擴展安全標(biāo)準(zhǔn)。在整個過程中，它描繪了未來的網(wǎng)絡(luò)物理操作的圖景，這些操作將機器人、協(xié)作機器人和人融合在一起，以最大限度地提高生產(chǎn)力和質(zhì)量，同時最大限度地降低總體成本。

協(xié)作機器人不僅可以與人一起工作，還可以從一個地方移動到另一個地方（圖2）。這些特征對協(xié)作機器人編程、協(xié)作機器人使用的地點和時間以及協(xié)作機器人安全要求具有重要意義。

教學(xué)協(xié)作機器人

工業(yè)機器人使用C和C++等語言編程。協(xié)作機器人已經(jīng)發(fā)展到使用各種無代碼工具進(jìn)行“教學(xué)”，如吊墜、平板電腦，甚至手動將協(xié)作機器人手臂從一點移動到另一點（圖3）。采用不同的教學(xué)方法而不是傳統(tǒng)的編程，使協(xié)作機器人能夠更快地學(xué)習(xí)新任務(wù)，這在協(xié)作機器人從一個任務(wù)轉(zhuǎn)移到另一個任務(wù)時非常重要。編程工業(yè)機器人所需的時間具有經(jīng)濟意義，因為它在高生產(chǎn)應(yīng)用中使用相對較長的時間。另一方面，協(xié)作機器人需要快速學(xué)習(xí)新流程，以避免長時間昂貴的停機時間。機器操作員可以在不需要專業(yè)程序員幫助的情況下教授協(xié)作機器人特定的任務(wù)。諸如拾取和放置等任務(wù)，包括對結(jié)果的目視檢查，可以在幾分鐘內(nèi)教給協(xié)作機器人。

人工智能加上機器視覺可以幫助改善協(xié)作機器人的學(xué)習(xí)和功能。智能協(xié)作機器人視覺系統(tǒng)提供了一系列功能，如對象識別和定位、條形碼和圖騰解釋、模式匹配和顏色識別。視覺系統(tǒng)還可以通過手勢引導(dǎo)協(xié)作機器人從一個位置到另一個位置，并教它一個新的過程。在其他情況下，機器操作員可以使用平板電腦上基于拖放流程圖的系統(tǒng)快速有效地教授協(xié)作機器人（圖4）。

除了與人合作，協(xié)作機器人還可以與自主移動的機器人（AMR）合作，從一個任務(wù)到另一個任務(wù)（圖5）。AMR是專業(yè)的協(xié)作機器人，與人、協(xié)作機器人、機器人和機器協(xié)同工作，以出色的效率執(zhí)行物料搬運等任務(wù)。與物料搬運一樣，將協(xié)作機器人從一個地方移動到另一個地方并不是一項高技能的活動，因此適合AMR的實施。AMR通過將機載傳感器和計算相結(jié)合來從一個地方導(dǎo)航到另一個地方，以了解其直接環(huán)境，并通過無線連接到整個設(shè)施中的集中計算資源和復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以幫助AMR了解計劃路線上的障礙物的位置，并有效地繞過固定障礙物，如工作站，機架和機器人，以及可變障礙物，如叉車，其他AMR和人。

協(xié)作機器人有什么用？

協(xié)作機器人與AMR、人、其他機器人和機器一起工作的能力為自動化開辟了新的機會。協(xié)作機器人在各種各樣的行業(yè)和流程中用于大規(guī)模定制，例如裝配操作，分配，螺絲驅(qū)動，機器維護，自動化，拾取和放置等，從汽車到食品加工和半導(dǎo)體制造等同樣廣泛的行業(yè)（圖6）。

重復(fù)性或復(fù)雜的裝配任務(wù)可以通過協(xié)作機器人與人一起工作來有效執(zhí)行。如果與AMR配對，協(xié)作機器人可以改善復(fù)雜揀選操作的實施和將材料運送到工作現(xiàn)場。一旦材料被運送到生產(chǎn)線的末端，協(xié)作機器人就可以快速地將產(chǎn)品分類以便裝運。使用機器視覺和人工智能，協(xié)作機器人可以檢查、分類和從傳送帶上拾取成品零件，并將它們放入紙箱。協(xié)作機器人可以快速調(diào)整自己的行為，以適應(yīng)新產(chǎn)品和季節(jié)變化。

協(xié)作機器人適用于各種制造過程，包括（如前所述）機器維護、螺絲驅(qū)動和點膠。數(shù)控機床、沖壓和沖床、各種切割機和注塑站都是機器維護任務(wù)，協(xié)作機器人可以將人們從重復(fù)和潛在危險的活動中解脫出來。螺桿驅(qū)動協(xié)作機器人增加了精度和一致的扭矩，從而實現(xiàn)比手動裝配更高的質(zhì)量。可通過協(xié)作機器人以高精度分配各種材料，如膠水、密封劑、油漆和其他飾面。協(xié)作機器人末端執(zhí)行器是可互換的，使協(xié)作機器人能夠根據(jù)需要從一個任務(wù)移動到另一個任務(wù)（圖7）。

檢查成品零件或產(chǎn)品是具有機器視覺的協(xié)作機器人可以擅長的另一個領(lǐng)域。如果零件很復(fù)雜，徹底的檢查可能需要來自各個角度的高分辨率圖像，需要多個固定相機的協(xié)調(diào)。或者，具有單個攝像頭的協(xié)作機器人可以識別被檢測的部件，并相應(yīng)地在部件周圍移動，捕獲完整視覺檢測所需的所有圖像。

協(xié)作機器人安全性的發(fā)展

協(xié)作機器人的安全考慮也在沿著發(fā)展。與工業(yè)機器人相比，協(xié)作機器人的安全要求更為復(fù)雜。由協(xié)作機器人和人組成的團隊可以將機器人的重復(fù)性能與人的個人技能和靈活性聯(lián)合收割機結(jié)合起來。協(xié)作機器人（和機器人）精通需要精確度、耐力和力量的任務(wù)，而人類則精通解決不精確的情況和可變的問題。結(jié)合這些互補的技能組合帶來了與人和協(xié)作機器人之間的安全交互相關(guān)的挑戰(zhàn)。

工業(yè)機器人的安全標(biāo)準(zhǔn)通常基于在機器人活動時將操作員排除在工作空間之外。Cobot安全預(yù)期與人的互動。Cobot的速度、扭矩和力限制是定義安全標(biāo)準(zhǔn)，包括緊急停止和保護停止。

合作機器人的緊急停止是操作員發(fā)起的;它停止所有合作機器人的運動并從合作機器人中移除動力。從緊急停止中恢復(fù)需要重新啟動。當(dāng)人進(jìn)入?yún)f(xié)作機器人周圍的保護空間時，保護停止自動發(fā)生（圖8）。在保護性停止期間，協(xié)作機器人仍然通電。此外，在保護性停止期間，協(xié)作機器人運動編碼器被監(jiān)測用于意外運動。如果檢測到意外運動，則斷電。

一些協(xié)作機器人設(shè)計有兩種操作速度設(shè)置，一種用于最大性能，另一種用于最大安全性。在性能設(shè)置中，假設(shè)沒有人會進(jìn)入合作機器人的保護空間，合作機器人將以最高的生產(chǎn)率高速運行。如果有人進(jìn)入受保護的空間，協(xié)作機器人會自動進(jìn)入人機協(xié)作設(shè)置，以降低速度、扭矩和力，實現(xiàn)最大的安全性。

關(guān)于協(xié)作機器人的安全性，有幾個不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和指南。ISO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)15066：2016和RIA技術(shù)報告15.606-2016都描述了用于降低人類工人風(fēng)險的四種協(xié)作技術(shù)：安全級監(jiān)視器停止、手引導(dǎo)、速度和分離監(jiān)視以及動力限制（PFL）系統(tǒng)。TS 15066是規(guī)范性的，詳細(xì)說明了符合標(biāo)準(zhǔn)所需的步驟。TS 15.606是信息性的，提供了可用于標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性的信息和方法。

RIA TR R15.806-2018描述了一種用于測試PFL系統(tǒng)施加的力的方法。傳感器系統(tǒng)需要符合與速度和分離監(jiān)測相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。對于PFL系統(tǒng)和安全級監(jiān)控站，要求在禁區(qū)內(nèi)進(jìn)行安全保護。

ISO 13855：2010建立了關(guān)于協(xié)作機器人接近人體特定部位的速度的防護措施的定位。它提供了一種方法來確定從探測區(qū)/禁區(qū)或啟動保障裝置到危險區(qū)的最小距離。

總結(jié)

協(xié)作是工業(yè)4.0和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的標(biāo)志，協(xié)作機器人是推動更高水平協(xié)作的關(guān)鍵參與者。協(xié)作機器人不斷發(fā)展，使其更容易，更安全，更靈活地使用。協(xié)作機器人教學(xué)工具和人工智能的進(jìn)步使得使用協(xié)作機器人更加直觀。協(xié)作機器人不斷發(fā)展的人機界面（HMI）提高了大規(guī)模定制生產(chǎn)的生產(chǎn)率和質(zhì)量。協(xié)作機器人并沒有取代機器人;協(xié)作機器人正在擴大自動化的機會，機器人、協(xié)作機器人和人之間的界限越來越不固定。隨著協(xié)作機器人變得越來越像同事，而不像工業(yè)機器人，協(xié)作機器人安全標(biāo)準(zhǔn)正在擴大，并變得越來越重要，以確保安全地實現(xiàn)協(xié)作機器人-人類協(xié)作的生產(chǎn)力承諾。


審核編輯 黃宇