協(xié)作機器人在工廠自動化中日益增長的作用

機器人在工業(yè)領域已經存在了幾十年的時間，但技術創(chuàng)新正在推動全新一輪的工廠自動化趨勢。對于那些曾經負擔不起（或者不需要）工業(yè)機器人的小型企業(yè)而言，協(xié)作機器人和類似協(xié)作機器人大小的小型機器人的出現(xiàn)將有機會幫助他們把效率和生產力提高到一個新水平。

與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比，協(xié)作機器人更小、更經濟、更易編程，而且它們的靈活度也大幅提升。現(xiàn)代化的機器人可以滿足快速重新分配任務的需求，以執(zhí)行新任務或移動到工廠或者倉庫等不同區(qū)域。協(xié)作機器人可以配合工作人員進行安全操作，特別適合執(zhí)行帶有危險性或重復性的任務，也可以在需要極高精密性的任務中協(xié)助工作人員進行操作。

因此，協(xié)作機器人能成為機器人行業(yè)增長最快的細分領域之一，也就不足為奇了。預計到 2026 年，全球協(xié)作機器人的年出貨量將超過 47,000 臺，遠高于 2021 年的 10,000 臺?[1] ，增長率也將高于工業(yè)機器人的預期增長?[2]。

為了進一步優(yōu)化協(xié)作機器人的設計以更好地滿足市場需求，TE Connectivity（泰科電子，以下簡稱“TE”） 長期專注于實現(xiàn)未來工廠自動化的關鍵趨勢，包括提高協(xié)作機器人的靈活性、降低總成本、增強其安全性和耐用性等。

協(xié)作機器人：

一款可以執(zhí)行多項任務的機器

設計工業(yè)機器人的目的是希望它在幾十年間可以重復執(zhí)行相同的任務，而一臺協(xié)作機器人則必須能夠適配多種任務類型。例如，一家公司可能會需要協(xié)作機器人能夠從簡單的拾取和放置任務，輕松過渡到協(xié)助對有更高精密度需求的機器進行維護。

協(xié)作機器人設計者面臨的挑戰(zhàn)是，他們需要創(chuàng)造的機械臂不僅要能覆蓋不同任務所需的運動范圍，同時還要控制成本。每次可能的移動都需要一個單獨的軸，每個軸都自帶一套電機、傳感器、電纜和連接器——這些都會導致成本的增加。出于這個原因，協(xié)作機器人制造商已經形成共識，對柔性機器人采用標準的六軸設計。這種結構模擬了人類手臂的運動范圍，使機械臂適用于大多數(shù)的協(xié)作任務。

然而，在這種標準設置中，設計者在選擇內部組件時仍然需要想方設法在耐用性、靈敏度和成本間找到最好的平衡。例如，旋轉變壓器（測量旋轉角度的系統(tǒng)）成本低，具備很高的耐用性，但可能無法提供精細操作所需的精確度。而另一個極端情況是，光學編碼器可以提供更高的精確度，但容易損壞且價格昂貴。為了幫助更多客戶有機會使用協(xié)作機器人，TE提供了介于這兩種選擇之間的方案——磁性編碼器（Magnetic encoder）。它能提供比旋轉變壓器更高的精確度，但與光學編碼器相比，價格更便宜、且更耐用。

優(yōu)化工廠機器人

確保操作人員的安全

按照定義，協(xié)作機器人需要與人類一起協(xié)作。它們的安裝無需使用安全籠，這樣既能降低安裝成本，并減少其在工廠或倉庫的占地。但是，這種結構需要有其他的安全功能以確保操作人員的安全。

扭矩傳感器的進步可使協(xié)作機器人更安全、更可靠。協(xié)作機器人機械臂的每個軸上會安裝扭矩傳感器，用于測量軸電機和變速箱內的機械張力。我們可以通過編程將扭矩保持在特定閾值以下，這樣在出現(xiàn)可能的危險之前，協(xié)作機器人就會自動關閉，避免操作人員受傷或協(xié)作機器人機械臂自身損壞的情況。

隨著協(xié)作機器人使用率的持續(xù)上升，我們預計其他安全功能（例如近距離傳感器和絕對位置傳感器）也會有進一步的改進。例如，可以通過使用一系列光學傳感器和壓力傳感器，在協(xié)作機器人周圍構建一個隱形圍欄，一旦有人進入協(xié)作機器人的工作空間則會觸發(fā)機器減速或立即停止。

確保在嚴苛環(huán)境下的可靠性

減少停機時間和降低維修費用對控制協(xié)作機器人的成本至關重要，這也是設計者需要面臨的挑戰(zhàn)之一，因為協(xié)作機器人通常需要在對電子元件和移動部件并不友好的環(huán)境中工作?；覊m、濕度、油、熱、振動和電磁干擾在工廠和倉庫環(huán)境中十分常見。

因此，TE專門針對嚴苛環(huán)境設計了位置和角度傳感器等元件。不過設計者容易忽視另外一些對協(xié)作機器人保持可靠性至關重要的組件比如：電纜和連接器。

傳感器和電機等軸元件的電纜和連接器通常安裝在協(xié)作機器人機械臂的內部?？杉词褂辛诉@層保護，依舊有必要使用專門設計的工業(yè)級電纜組件。在實現(xiàn)每個機械臂關節(jié)所需的運動范圍的同時，在機械臂執(zhí)行重復任務時能避免任何不必要的移動。

當任務涉及協(xié)調臂端工具和傳感之間的變化時，連接變得更加棘手。任務之間的切換通常需要在協(xié)作機器人機械臂末端安裝一套新的工具，包括夾子、傳感器、攝像頭和燈。除了協(xié)作機器人機械臂保護之外，這里面的每一個元件都需要電源和數(shù)據的連接。

由于適應性是協(xié)作機器人的主要優(yōu)勢之一，所以我們致力于在保證功能的前提下幫助設計者降低布線和連接的復雜性。我們正在開發(fā)將電源和數(shù)據連接結合在單根電纜中的解決方案，例如單對以太網 (SPE)。這樣的單根電纜就能夠為任何臂端外圍設備提供足夠的功率和數(shù)據傳輸速率。?

助力未來工廠架構

就在幾年前，協(xié)作機器人還處于應用不成熟，或者價格過高的困局中，而現(xiàn)在它們的興起已經將自動化水平提升到了新高度。協(xié)作機器人不斷代替人工執(zhí)行更多任務，同時還能幫助制造商優(yōu)化生產流程，實現(xiàn)更高的效率和靈活性。

未來我們將看到：模塊單元配置化的制造車間，每個單元都可實現(xiàn)在離散任務或定制流程之間切換的靈活性。此外，無線連接技術的進步將幫助工廠監(jiān)控和分析其中每個半自動單元的生產情況。與此同時，人工智能和機器學習的不斷發(fā)展也將助力協(xié)作機器人更快地學習新任務。

工廠自動化水平的提升可滿足制造商在速度、效率和定制等方面不斷增長的需求，同時也能幫助制造商應對包括勞動力持續(xù)短缺在內的其他挑戰(zhàn)。雖然從半自動生產到完全自動化的發(fā)展仍然需要一定的時間，但協(xié)作機器人與無縫連接及增強智能技術的結合將是實現(xiàn)這一目標的必經之路。

審核編輯：劉清