制造业该如何更好从协作机器人中获益

随着自动化和数字化在全球制造行业中迅速发展，越来 越多的制造商采用机器人解决方案来提高车间的智能 化科技水平。协作机器人作为一种新兴的机器人品类， 也日益受到关注。本文探索性地介绍了协作机器人的类型、优 势以及发展趋势，进而说明了如何更好地利用协作机器人技术 来完善人工技能、提高生产效率。

厘清协作机器人的含义和种类

协作工业机器人的设计理念旨在让工人与机器人在车间中 合作协作完成相关任务。 国际机器人联合会（The International Federation of Robotics）定义了两种类型的协作机器人：一种类 型是符合国际组织标准 10218-1 的，另一种类型是不符合该标 准的。国际组织标准 10218-1 为工业机器人的应用、安全设计、 保护措施提供相关的技术要求和指导意见。这并不意味着不符 合该标准的机器人就不安全，它们可能遵循了其他的安全标准， 例如国家或公司内部标准。

满足上述规范的机器人种类有很多，但是它们的人机协作 程度却有很大差异。 技术范围的一端是传统的工业机器人，它 们需要在一个单独的工作空间中运行，工人可以定期进入该空 间而无需关闭机器人电源，这就避免了生产流程被打乱——停 机造成的生产流程被打乱可能产生每分钟数千美元的经济损失。 在机器人的工作空间中设有能够探测人体运动的传感器，可以 确保当工人进入设定区域时，机器人的操作动作变缓或停止。

技术范围的另一端是专为人机协作工作而设计的工业机器 人。这类机器人也被称为“cobots”，其设计包括了多种防护 功能特征，可确保当工人有意或无意地直接接触到机器人时， 不会受到伤害。 这些防护功能特征包括：采用轻质材料；圆滑 的轮廓设计；表面覆盖衬垫；应用“智能皮肤”技术（ 衬垫中 集成了嵌入式传感器）；在机器人基体和关节上安装力和速度 传感器，并设定相应的阈值，以确保在接触发生时，机器人的 力和速度不会超过规定的阈值。

总体而言，工业协作机器人可以划分为两类，第一类是非 直接人机接触类；第二类是任务同步类，这类机器人会根据工 人的动作实时调整自身动作，以配合工人完成相应任务。目前， 据国际机器人联合会成员统计，第一类协作机器人应用最普遍， 也就是人机共享工作空间，机器人和工人按顺序完成各自的任 务，机器人执行重复或不符合人体工程学的任务，比如，提重 物或拧螺钉等。

任务同步类型的协作机器人会根据工人的动作实时调整自身动作（例如，根据工人放置工件的角度调整抓取动作的角度， 配合工人完成抓取动作），这在技术上是非常具挑战性的。 这类 机器人的动作轨迹随时都可能改变，因此其运动具有不可预测性， 这就要求最终用户确保其在最大运动范围内的操作都满足安全性 要求。 目前来说，任务同步类型机器人在各个制造领域中的应用 实例还比较少，这是因为绝大多数的制造企业都依赖操作的精确 性和可重复性来提高生产效率。

了解安全性保证和应用优势

与其他工业机械一样，协作机器人必须满足安全性要求。 国 际标准化组织（ISO）制定了在四种协作模式下运行的机器人标准。 如果某种机器人是符合这些标准的，就意味着原则上可以安全地使 用它。 但是，符合安全标准的机器人在协作工作的应用场合下， 并不一定是同等安全的。比如说，如果 cobot 机器人使用的工具是 锋利的，那么无论它的操作速度有多慢，协作工作过程都不可能是 安全的。终端用户必须对机器人的应用场合进行安全风险评估，以 确保所有的操作流程都符合国家健康和安全法规的规定。评估要覆 盖应用场合的方方面面，包括：工作空间、机器人、末端执行器、 刀具，工件，以及有安全风险的其他因素，如布线和照明等。

协作机器人为提高生产线自动化的经济效益提供了一个新的切 入点。可以将协作机器人集成到现有生产线的某一部分，而不需要 对生产线其余部分做过多改变，这对于尚未实现生产线自动化的中 小型制造企业而言，是非常有吸引力的，可以把它看作一张相对便 宜的、应用机器人技术提高生产效率和产品质量的入场券。对于那 些已经实现生产线自动化的制造商而言，比如汽车车身制造商，应 用协作机器人协助工人完成最终装配，可以有效减少工人腰背损伤 的发病率。 总之，协作机器人最大的优势在于将人类从枯燥乏味 的重复性劳动中解放出来，比如工件的拾取工作或质量检验工作， 手工完成这些工作很难保证长期的一致性。

根据系统集成化程度进行选择

过去，系统集成工程师和机器人专家会共同完成机器人操作程 序的安装。现在不论是传统的工业机器人还是最新的协作机器人， 其操作程序都越来越简单直观。但是系统集成工程师的工作还是非 常必要的，比如复杂程序的安装或生产流程程序的重新编写。对于 协作机器人为提高生产线自动化的经济效 益提供了一个新的切入点 更简单的独立应用程序而言，工人只需接受很少的机器人操作培训， 就能轻松调整机器人完成新任务。这对于想要缩短试生产周期的制 造商而言是非常好的选择，可以很快地将机器人投入到新的生产运 作中。工厂空间对于制造商而言是很重要的成本因素，协作机器人 通常采用轻量化设计，在工厂中移动起来会比较方便，占地面积也 比较小。基于上述种种优势，对于那些刚刚开始应用工业机器人， 还没有实现生产线自动化，也没有很强的系统集成能力的制造企业 而言，协作机器人是性价比最优的解决方案。

传统上来讲，通常会将工业机器人先固定安装好，再开始相关 的操作运行，但是现在对可移动机器人的需求也在不断升高，实现 可移动的方法一般是在可移动的平台上安装（协作）机器人。这种 应用实例有很多，比如，机器人先在某个地点抓取物料，再将物料 卸载到另一个地点或为其他设备供料。

如何选择机器人，是选择传统的还是协作的？这个问题的答案 主要取决于目标应用场合。当把速度和绝对精度作为重点关注的自 动化指标时，任何形式的人机协作运作都不可能带来令人满意的经 济效益。在这种情况下，传统的带围栏的工业机器人是首选。如果 被操纵的工件在运动时可能造成人身伤害（例如，带有锋利的边缘）， 则需要某种形式的围栏。 这种应用场合可以采用非接触类协作机 器人。 影响经济效益的另一个因素是机器人与原系统所必须的系 统集成程度。集成程度越高，机器人的安装成本也越高。

协作机器人是工人的好帮手，可以将它们从繁重、枯燥、不符 合人体工学的工作中解脱出来，例如，将重物放在所需位置安装螺 钉。然而，仍然有许多工作对人类来说很容易，对机器来说却很难， 例如，分类整理形状不一或具有柔性的工件。对于一些精加工工艺 流程，例如抛光和磨削，需要连续工件的翻转力度，很难在自动化 的同时兼具经济成本效益。 制造商可以应用协作机器人技术来完 善人工技能，从而提高生产效率。

协作机器人未来发展趋势

协作机器人市场仍处于起步阶段。终端用户和系统集成商在协 作机器人操作程序的开发上，都还处于经验积累阶段。传感器和夹 具技术的发展有望进一步扩大机器人末端执行器的可执行范围。不 管是协作机器人还是传统机器人，其编程界面将继续向简单直观的 方向发展。

□ 本文译自 The International Federation of Robotics 报告