“機器換人” 還是 “人機協(xié)作” ？

寂靜天花板

雖然工作人員死于機器事故的案例并不鮮見，但這起事件觸動了人們敏感的神經(jīng)：難道科幻電影中的故事真的會成為現(xiàn)實？
很難想像，人類世界會像電影中那樣，真正面臨機器逆襲人的時代。而就在前不久，東莞長盈精密開建首個“無人工廠”；上海海立集團設(shè)立的機器人“第二人力資源部”， 計劃到今年末投入使用356 臺機器人，減少用工1,000 余人。一系列新聞引發(fā)了制造業(yè)對“機器換人”的空前關(guān)注。
4 ~( F7 R- ]& G$ |4 J中國制造業(yè)“機器換人”的高峰正值當下，但這實際上意味著，機器與人已經(jīng)從單純的“替換”和“被替換” 升華至更高層級的協(xié)作，同時人在機器“伙伴”的協(xié)助下， 將創(chuàng)造出更加智能和諧、合理高效的生產(chǎn)制造流程，為實現(xiàn)智能制造、個性化制造提供有力的支持；人與機器將以前所未有的方式來并肩工作。
協(xié)作型人機器人的前世今生
一直以來，國際機器人市場都是一些由工程師為對應制造業(yè)設(shè)計的重型、昂貴且笨拙的機器人，但在實踐應用中，并非所有的工業(yè)流程環(huán)節(jié)都需要大型機器人來提取較重的負載，取而代之的是輕便、敏捷的機械臂越來越多地承擔了組裝和提取工作。更加靈活的機械臂于是成為一種承擔每天工作的可行性方案，小型的，低噪音的，低功耗的機器人是應對工業(yè)企業(yè)自動化和合理化需求最簡單、最合理的解決方案。順應市場需求，“協(xié)作機器人”悄然誕生，這種新型機器人能夠直接和人類員工一起并肩工作而無需使用安全圍欄進行隔離，并有望填補全手動裝配生產(chǎn)線與全自動生產(chǎn)線之間的差距。迄今為止，部分企業(yè)尤其是中小企業(yè)依然認為機器人自動化過于昂貴和復雜，因而從不去考慮應用的可能性。然而，輕便靈活的“協(xié)作型” 機器人成為了中小企業(yè)的福音。
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圖1 協(xié)作機器人Baxter 與工人一同在流水線作業(yè)
$ i2 C1 g3 I0 G7 G1 @協(xié)作型機器人的定義和行業(yè)應用情況
) m6 q7 _# f& A1 Y2 f0 ]協(xié)作型機器人又名人機協(xié)同作業(yè)機器人，它的發(fā)明旨在引導或輔助人類實現(xiàn)特定作業(yè)任務，從而降低人類勞動負擔。需要指出的是，假設(shè)人類與協(xié)同機器人在一同工作， 如人類在工作過程中出現(xiàn)偏差或誤操作，機器人將具備感知這一行為并及時糾正的能力。同時，協(xié)作機器人可以實時感知甚至預測作業(yè)過程中與人體的接觸并能迅速規(guī)避以避免傷害。
. J) n9 J9 U4 X以汽車制造工廠為例，很多汽車裝備工序都市由人類員工手工完成，這樣裝配方式成本很高，而將人工全部替換為機器人在技術(shù)上并不現(xiàn)實。如果機器人和人類沒有緊密互動，則二者的生產(chǎn)潛力都無法發(fā)揮出來。協(xié)作機器人的出現(xiàn)把人類的靈活性、適應性和解決問題的能力與機器人的力量、耐久性和動作的準確性結(jié)合起來，這將能顯著改善當今生產(chǎn)裝配的困境。
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圖2 寶馬美國工廠中工人和協(xié)作機器人一同作業(yè)
早在2012 年12 月，德國著名汽車生產(chǎn)廠商寶馬公司率先在其美國卡羅萊納州斯帕坦堡市的汽車工廠采用協(xié)作機器人。它們將與人類員工共同完成對汽車車門的絕緣和防水處理工序。人類員工負責向車門噴灑膠水，與此同時，協(xié)作機器人靈活調(diào)整車門開合，讓膠水噴灑到車門的正確位置。如果這道工序沒有機器人的參與，人類員工要花費一到兩小時來移動笨重的車門，倘若一味強行提高工作效率，工人的身體健康會受到極大損害。鑒于協(xié)作機器人在寶馬公司的5 家工廠表現(xiàn)良好，寶馬公司打算為協(xié)作機器人增加更多的工作種類，這意味著寶馬公司會把當前常規(guī)機器人的各項技術(shù)移植到協(xié)作機器人身上。
協(xié)作型機器人國產(chǎn)化率較低，甚至至今還未引起國內(nèi)企業(yè)的足夠重視。國務院總理李克強在今年的政府工作報告中提出，要實施“中國制造2025”，堅持創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展，加快從制造大國轉(zhuǎn)向制造強國的步伐。在堅持“以人為本”的思想發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的進程中，協(xié)作機器人將占據(jù)極其重要的戰(zhàn)略地位。
協(xié)作型機器人的主要產(chǎn)品和行業(yè)規(guī)范
協(xié)同作業(yè)機器人領(lǐng)域競爭者頗多——從iRobot 公司的Baxter 類人多用途機器人到安川Motoman 高速高精度機器人，再到性能指標位于兩者之間的丹麥Universal Robots 六軸機器手優(yōu)傲UR10。各路英豪似乎即將上演精彩紛呈的諸神之戰(zhàn)。
' l7 B! b: ^! x1 Q) W9 x7 j◆ 丹麥Universal Robots 的優(yōu)傲（UR）系列機器人

圖3 UR10 機器人
6 t0 s' [' H" O) L其中尺寸最大的UR10 機器人可處理高達10kg 的負載自動化作業(yè)， 延伸半徑達1300mm。其特點在于其基于平板電腦、簡潔易用的用戶界面和示教系統(tǒng)，以及機器人本體安裝的便捷性。
* Y; F0 E5 L# g8 W* c9 f* z" O0 f◆ 瑞士ABB 公司的YuMi
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圖4 ABB YuMi 機器人
2 T4 Y: y7 j0 U2 h5 m; xABB 的YuMi 是一個的雙臂組裝解決方案，并具有視覺和觸覺。YuMi 的雙臂以軟性材料包裹，并具有仿人手臂的靈巧度，使其可以在開放環(huán)境中工作。YuMi 體系較小，涉及寬度為600mm，適合于生產(chǎn)線緊湊的空間，并且有基于攝像頭的工件定位系統(tǒng)。
◆ 瑞士Mabi 的Speedy 機器人

圖5 Mabi 的Speedy 機器人
6 V  I- e2 M  LSpeedy 協(xié)作機器人是一款輕型的6 軸工業(yè)機器人，其負載約為10kg，工作范圍達1384mm，其操作臂末端配有氣動卡爪。鑒于其低成本的特性，有望進一步降低協(xié)作機器人的門檻。
4 O3 N: F5 H1 g" u9 T! A◆ 美國Rethink 公司的Baxter
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圖6 Baxter 協(xié)作型機器人
- z4 G8 j' [; b- I; E- g5 ?Baxter 具有兩條手臂和一張平板顯示的臉，臉上的卡通眼睛可以隨著電力變化和任務執(zhí)行程度而變化。Baxter 擁有一套復雜的安全機制和多種傳感器，可以保護它所協(xié)助的人的安全。
Baxter 的頭頂有一圈聲納傳感器， 只要有人過于接近工作區(qū)域，傳感器就會放慢動作。Baxter 現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于工廠，科研和教學場合。Baxter 底部配有滾輪和基架，可以安裝在流水線任意地點。
  P: c+ `2 H3 E8 S◆ 德國KUKA 的LBR iiwa 機器人

圖7 KUKA 的LBR iiwa 機器人協(xié)作型機器人
LBR iiwa 是一款單臂7 自由度機器人操作臂，它是為實現(xiàn)直接的人機協(xié)作而設(shè)計，集靈敏性、柔性、和輕型驅(qū)動技術(shù)于一體，適用于工業(yè)領(lǐng)域。最大缺點在于價格較為昂貴，是優(yōu)傲機器人的3 倍之多。
$ l! N5 @; s3 n' Z' q, z另一方面，協(xié)作型機器人的有序發(fā)展離不開行業(yè)規(guī)范和安全標準的約束。2013 年5 月，美國機器人工業(yè)協(xié)會（RIA）宣布最新的機器人安全標準已經(jīng)通過美國國家標準學會（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準提出的四項要求之一：
5 K* g- V, p2 J0 ^* ?! k0 @. s+ f◆具有安全等級的受控制動；
7 K- h# ^  P$ u' |8 O◆手控；
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6 I6 ]( y$ A: n0 U/ i. s4 x/ p◆速度和間距監(jiān)控；

: t3 W2 q- @0 c1 V( E◆限制功率和力。
7 ?* ?5 x2 M8 @+ l. ~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準的指導。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)界的認可才能作為ISO10218 安全標準的補充。目前，標準中僅僅提到需要對功率和力進行限制，但是并未明確指出應該將功率和力限制在什么水平。
協(xié)作機器人新技術(shù)探索
) t+ y$ `; Z' I8 T( d4 `. k; ^毫無疑問，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)任務和環(huán)境的多樣化是無法避免且又亟待解決的。倘若協(xié)作機器人能夠填補此項技術(shù)空白，這將會成為工業(yè)領(lǐng)域一項劃時代意義的突破。它會降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，甚至重新定義自動化制造這一概念。
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。較為主要的軟件技術(shù)包括有：
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 e: P4 f# A# {$ i" N' |' B" S# ~以裝配作業(yè)為例，如果機器人運動模式與人類近似，則機器人能感知與工件的相互作用，順利地引導工件的運動方向甚至能自動將工件安裝在夾具上。
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具有自我意識。高級人工智能是一門研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應用系統(tǒng)的技術(shù)科學，該領(lǐng)域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。
/ q$ r! b( z* s' g. t$ L若協(xié)作型機器人被成功賦予高級人工智能，機器人將獲得與真人一般的“常識”，從而能人機協(xié)同作業(yè)更易被整合。另一方面減少了用戶參與決斷的機率，使得機器人變得更“聰明”。
. a' d5 t- k% l# H3. 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)場合。
4. 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。
總結(jié)和展望
隨著工業(yè)4.0 時代的來臨，全世界的制造企業(yè)也即將面對各種新的挑戰(zhàn)。有些挑戰(zhàn)已經(jīng)通過日益成熟的自動化及自動化解決方案中機器人的使用得到了應對。在過去的生產(chǎn)線和組裝線等工作流程中，人和機器人是隔離的，這一格局將有所改變。協(xié)作型機器人將會變得越來越重要。雖然有些領(lǐng)域和生產(chǎn)線還是需要人力操作，但有些仍可以使用機器人實現(xiàn)局部自動化，以優(yōu)化生產(chǎn)線。引進協(xié)作型機器人會為生產(chǎn)線和組裝線應對挑戰(zhàn)開拓新的機遇，找到更好的解決方案， 把人和機器人各自的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。
“智能工廠”、“無人工廠”在工業(yè)4.0 時代成為大熱之詞，并被認為是自動化的最高境界。那么，這是否意味著未來人將被機器所取代呢？其實不然，我們應該這樣理解： 未來的工廠將是人與機器和諧共處的所締造的。協(xié)作型機器人作為一種新型的機器人，它將小件裝配等自動化應用帶入了一個全新時代，工人與機器人可以和諧共處，共同完成一個任務。
# \+ }  Y2 ~  O- a在我國逐漸步入老齡化、少子化的現(xiàn)實面前，發(fā)展協(xié)作型機器人是促進社會生產(chǎn)力質(zhì)的提升的行之有效的手段。當前我們產(chǎn)學研三方共同努力的目標，就是實現(xiàn)人類勞動力和機器人勞動力的歷史性“握手”，讓人類與機器人真正意義上共同工作，提高生產(chǎn)力從而滿足居民日益增長的物質(zhì)需求。
2 f! o9 R# Z; Q& ^) V當今協(xié)作型機器人發(fā)展的浪潮中，協(xié)作機器人的深度研發(fā)和普及需要廣大科研單位和制造企業(yè)共同推動。希望在不久的將來，協(xié)作機器人能在國務院提出的“中國制造2025”的大格局下茁壯成長。
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龍游大海

協(xié)作型機器人

赤發(fā)鬼李逵

應該還是人機協(xié)同吧，機器人代替人那么要人干神馬？

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人機協(xié)同是趨勢