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(xiàn)了機器人發(fā)展的最新趨勢，他更能適應(yīng)業(yè)內(nèi)對機器人柔性化和感知能力等方面提出的要求，而且把人類的靈活性、適應(yīng)性和解決問題的能力與機器人 的力量、耐久性和動作的準(zhǔn)確性結(jié)合起來，為生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)帶來模式創(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，中國協(xié)作機器人迎來“彎道超 車”的機遇。
協(xié)作機器人市場前景
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，開啟了工業(yè)機器人的一個新篇章。未來工業(yè)4.0時代，智慧工廠里的生產(chǎn)線柔性化程度更高，機器人需要與人協(xié)同共享一個工作空間，人機協(xié)作機器人有望成為機器人領(lǐng)域下一個增長點。
瑞士ABB 公司的YuMi
協(xié)作機器人，是一種可以在一定區(qū)域內(nèi)安全的與人類進行直接交互的機器人。協(xié)作機器人的操作相對較為簡單，是工業(yè)機器人的一個分系，在價格上也比傳統(tǒng)工業(yè)機器人“親民”的多。
協(xié)作機器人的興起意味著傳統(tǒng)工業(yè)機器人必然有某些不足，或者無法適應(yīng)新的市場需求。主要有三點：
一是傳統(tǒng)工業(yè)機器人部署成本高；
二是傳統(tǒng)工業(yè)機器人無法滿足中小企業(yè)需求；
三是無法滿足新興的協(xié)作市場需求。
和傳統(tǒng)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檔次。為了達(dá)到“協(xié)作”的目的，機器人與人類之間的工作距離就不能太遠(yuǎn)，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(tǒng)工業(yè)機器人有近似的運轉(zhuǎn)速度和精確度以外，協(xié)作機器人還擁有一些傳統(tǒng)工業(yè)機器人所沒有的優(yōu)勢，例如輕巧、安全、價格低、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化生產(chǎn)的中小型企業(yè)開啟新的契機。
ReThink RoboTIcs的Baxter是新一代協(xié)作工業(yè)機器人
不管是從市場，還是技術(shù)層面來講，協(xié)作機器人都有著不可取代的優(yōu)勢與市場前景，已然是未來市場上的一大趨勢。
據(jù)分析機構(gòu)MarketsandMarkets研究報告，預(yù)計2016年至2022年期間，協(xié)作機器人有望年復(fù)合增長60%，從2015年的接近1.1億美元升值到2022年的超過33億美元。
協(xié)作機器人行業(yè)規(guī)范
協(xié) 作型機器人的有序發(fā)展離不開行業(yè)規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)的約束。2013 年5 月，美國機器人工業(yè)協(xié)會（RIA）宣布新的機器人安全標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（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)的升級版，等同于國際ISO10218:2011 機器人安全標(biāo)準(zhǔn)。其中一項對國際等同標(biāo)準(zhǔn)的重要升級覆蓋了人員和機器人的協(xié)同工作情況。
此標(biāo)準(zhǔn)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足標(biāo)準(zhǔn)提出的四項要求之一：
安全級監(jiān)測站——這種操作模式要求機器人系統(tǒng)監(jiān)控工作區(qū)域，當(dāng)有人進入?yún)f(xié)同工作區(qū)域時，停止一切動作。這種監(jiān)測可能涉及使用激光監(jiān)測是否有人跨越工作區(qū)邊緣，切換到監(jiān)測封閉空間是否打開了門，以及類似的東西。
手動示教——此類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動作。運動的速度也受到監(jiān)控，并保持在機器人內(nèi)部系統(tǒng)的安全限值內(nèi)。
速度和分離監(jiān)測——機器人以這種方式監(jiān)測和限制他們的運動速度，并監(jiān)測協(xié)同工作區(qū)域里各個部件和工人的距離。機器人的運動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，機器人將停止運動。
功率和力量限制——當(dāng)此類機器人有運動速度和功率限制的設(shè)計，當(dāng)它與工人或其他物體接觸時，內(nèi)置的傳感器就能檢測到。當(dāng)類似接觸發(fā)生時，速度和功率限制將使得碰撞能量不足以造成嚴(yán)重傷害。
國際委員會起草了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)容仍在進行技術(shù)開發(fā)，開發(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)的補充。
通 過這一系列的定義，協(xié)作機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)測傳感器，并編程實現(xiàn)恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)時，傳統(tǒng)工業(yè)機器人也能實現(xiàn)第一種模式的功 能。然而，已經(jīng)開始出現(xiàn)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(fù)度的材料搬運。通 常這些人物包括協(xié)助工人自動完成日常任務(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。 其中最常見的一種是單個機械臂固定在工作臺、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“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)作機器人發(fā)展趨勢
從 安全防護網(wǎng)走出來的協(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(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，將會成為工業(yè)領(lǐng)域一項劃時代的突破，將會降低生產(chǎn)成 本，提高生產(chǎn)效率，甚至重新定義自動化制造概念。
機器人軟件技術(shù)的不斷深化與進步給協(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“軟實力”。更為便捷的軟件技術(shù)使得安裝維護成本驟減，同時機器人參數(shù)更改和調(diào)試周期從過去的數(shù)年數(shù)月縮減到數(shù)天。
主要的軟件技術(shù)有：
1. 柔順運動控制技術(shù)。對于焊接、搬運和噴涂類工作， 機器人位置控制足以滿足任務(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動方向上實現(xiàn)力控制，因此需要有較軟的特性， 也就是較小的剛性。
2．高級人工智能。人工智能（ArTIficial Intelligence）是對人的意識、思維的信息過程的模擬，將此模擬結(jié)果賦予機器人，則機器人就可以像人類一樣傳感器集成化和機器視覺。機器人傳感器是用來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(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，反饋到中央處理系統(tǒng)或末端執(zhí)行器上。而為了實現(xiàn)在復(fù)雜、動態(tài)以及不確定性環(huán)境下的行動自主性，需要快速集成 視覺、聽覺、壓覺、熱覺和力覺等不同功能的傳感器，通過合理組合，形成機器人的感知系統(tǒng)。傳感器集成化將促使機器人對未建模或半建模狀態(tài)的外界環(huán)境變化做出實時、準(zhǔn)確、靈活的行為響應(yīng)， 協(xié)作機器人也將能夠更快地適應(yīng)不同要求的作業(yè)場合。
3．可擴展軟件架構(gòu)。軟件架構(gòu)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(tǒng)可承受范圍。目前研究熱點之一的可重構(gòu)機器人 （Reconfigurable Robot）就是基于可擴展的軟硬件平臺發(fā)展而來的。未來機器人市場將會向以功能模塊為單位，并且針對各個不同的作業(yè)要求個性化定制的方向發(fā)展。
寶馬工廠中工人和協(xié)作機器人一同作業(yè)
國內(nèi)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：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(tǒng)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、以及資本運作等優(yōu)勢。
國內(nèi)已有新松機器人、廣州啟帆、山思躍立、遠(yuǎn)榮機器人等為代表的自主品牌協(xié)作型機器人。
表1：國內(nèi)外主要協(xié)作機器人公司
中國協(xié)作機器人迎“彎道超車”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)制高點難度較大。如何去彎道超車，我國機器人產(chǎn)業(yè)人要換個角度去思考，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)由于市場需求的多樣性，對人機協(xié)作的需求更高。近幾年來，3C產(chǎn)品的銷量一直處于穩(wěn)步增長中。協(xié)作機器人的柔性、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)對低成本自動化有強烈的需求。我國共擁有超過5000萬家企業(yè)，其中中小企業(yè)就占了99%，而低成本自動化向來都是中小企業(yè)夢寐以求的生產(chǎn)模式。
傳統(tǒng)工業(yè)機器人的價格一般在10萬-40萬人民幣之間，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，這個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)作機器人的價格一般介于2-3萬美元，因為省去了部署的過程，從而比傳統(tǒng)工業(yè)機器人少去了那個“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“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，對于傳統(tǒng)工業(yè)機器人來說，真的是太難了。
在 這方面，協(xié)作機器人就填補了這個空缺。對于一些講究細(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)們在尋求全新而經(jīng)濟的方式來滿足不斷變化的客戶需求，具備靈活性的自動化也隨之成為全球眾多工廠的優(yōu)先考量事項。
協(xié)作機器人將用到很多先進技術(shù)，其中包括機器視覺技術(shù)，這將有助于國內(nèi)企業(yè)切入機器人產(chǎn)業(yè)上游環(huán)節(jié)，提升附加值。
由于機器視覺技術(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)在我國已具備良好的發(fā)展基礎(chǔ)，從而有助于國內(nèi)企業(yè)快速進入產(chǎn)業(yè)鏈上游開發(fā)環(huán)節(jié)，而且對于加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)制造過程的智能化和綠色化發(fā)展具有重要的意義。
結(jié)語：目前從小型作坊，到橫跨全球的制造業(yè)巨無霸，都已經(jīng)呈現(xiàn)出制造業(yè)的未來形態(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。隨著技術(shù)的發(fā)展，相信協(xié)作機器人最終將變成一個過渡概念，未來所有的機器人都應(yīng)該具備與人類一起安全的協(xié)同工作的特性。
朱先生