發布日期：2022-04-17 點擊率：48
在工業 3.0 之初，工業機器人伴隨著計算機化控制和自動化一起出現，經過多年的發展后，已成為各行業和流程的專業化機器人。機器人是為大規模生產而設計的；它們通常獨自工作，在相對孤立的情況下執行特定任務。隨著工業 4.0、信息物理系統和物聯網的出現，一些機器人發展成為協作機器人。協作機器人與環境（包括人和其他機器人）交互，并支持靈活制造和大規模定制（圖 1）。
圖 1：傳統工業機器人獨自工作（左），而協作機器人（右）的設計是為了與環境交互，包括人和其他機器人或機器。（圖片來源：Omron）
從機器人到協作機器人的發展過程包括大量改變：協作機器人的工作方式不同，編程也不同，它們往往更小、更簡單，在某些情況下還可以移動；與機器人相比，它們用于不同的流程，而且必須符合不同的安全標準。協作機器人一般不與機器人競爭或取代機器人；協作機器人擴大了采用自動化流程的機會。
本文追溯了從機器人到協作機器人的發展過程：比較了機器人和協作機器人不同的工作方式；回顧了協作機器人使用的不同編程方法；討論了使用人工智能 (AI)、物聯網和其他技術來實現協作機器人的移動能力和與人的交互；詳細介紹了協作機器人擅長的一些應用，如工藝整理操作、質量控制、物流/材料運輸等；并回顧了協作機器人的擴大安全標準。其中，文章描繪了一幅未來的信息物理操作全景，融合了機器人、協作機器人和人，最大限度地提高生產力和質量，同時最大限度地降低總體成本。
協作機器人的設計不僅支持與人一起工作，而且可以從一個地方移動到另一個地方（圖 2）。這些特點對協作機器人編程、協作機器人的使用地點和時間以及協作機器人的安全要求有重要影響。
圖 2：協作機器人可以根據具體任務的需要從一個地方移動到另一個地方。（圖片來源：Omron）
工業機器人用 C 和 C++ 等語言進行編程。協作機器人已經發展到可以使用各種無代碼工具進行“教導”，如吊燈、平板電腦，甚至手動將協作機器人支臂從一個點移動到另一個點（圖 3）。通過不同的教導方法而非傳統編程，協作機器人能夠更快地學習新任務；當協作機器人從一個任務轉移到另一個任務時，這非常重要。對工業機器人進行編程所需的時間具有經濟意義，因為在高產應用中使用的時間相對較長。另一方面，協作機器人需要快速學習新的流程，以免長期且昂貴的停機時間。機器操作員可以教會協作機器人具體任務，無需專業程序員的幫助。諸如拾放等任務，包括對結果的目視檢查，都可以在幾分鐘內教給協作機器人。
圖 3：協作機器人可以通過將其支臂從一個位置移動到另一個位置進行訓練。操作員的右手放在一個高分辨率的攝像頭上，機器人用該攝像頭來查看所處的位置和該位置上的東西。（圖片來源：Omron）
AI 和機器視覺能幫助改善協作機器人的學習和功能。智能協作機器人視覺系統提供各種能力，如物體識別和定位、條形碼和圖騰解釋、模式匹配和顏色識別。視覺系統還能通過手勢引導協作機器人從一個位置到另一個位置，并教會協作機器人新的流程。在其他情況下，機器操作員可以使用平板電腦上基于拖放的流程圖系統快速高效地教導協作機器人（圖 4）。
圖 4：直觀的拖放式教導/編程最大限度地提高了協作機器人的生產力和靈活性。（圖片來源：Omron）
除了與人合作外，協作機器人還可以與自主移動機器人 (AMR) 合作，從一個任務移動到另一個任務（圖 5）。AMR 是專業的協作機器人，它與人、協作機器人、機器人和機器協同工作，以出色的效率執行材料搬運等任務。與材料搬運一樣，將協作機器人從一個地方移動到另一個地方并非高難度的活動，因此適合 AMR 來進行操作。要將 AMR 從一個地方導航到另一個地方，需要結合機載傳感器和計算來了解周圍環境，并通過無線連接到集中計算資源和整個設施的復雜傳感器網絡，幫助 AMR 了解計劃路線上的障礙物位置，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。
圖 5：機械臂協作機器人（上方）可以被自主移動機器人（下方）拿起并移動到新的工作站。（圖片來源：Omron）
協作機器人與 AMR、人、其他機器人和機器合作的能力為自動化帶來了新的機會。協作機器人在大規模定制中用途廣泛，如裝配作業、點膠、擰螺絲、機器上下料、碼垛、拾放等，從汽車到食品加工和半導體制造等各行業中都有使用（圖 6）。
圖 6：協作機器人操作靈活，可用于各種應用。（圖片來源：Omron）
重復性或復雜的裝配任務可以由協作機器人和人一起高效完成。與 AMR 配對時，協作機器人可以改善復雜的分揀操作的實施，并將材料運送到工作地點。材料被運送到生產線端后，協作機器人就可以快速地將產品放上貨盤以便運輸。利用機器視覺和 AI，協作機器人可以檢查、分類，并從傳送帶上撿拾成品零件，并放入紙箱。協作機器人可以迅速調整其行為，以適應新產品和季節性變化。
協作機器人可以適應各種制造流程，包括（如前所述）機器上下料、擰螺絲和點膠。CNC 機床、沖壓機和沖床、各種切割機和注塑成型站都是機器上下料任務，協作機器人可以將人們從重復性和潛在的危險活動中解放出來。擰螺絲協作機器人增加了精度和穩定的扭矩，比人工裝配的質量更高。點膠各種材料，如膠水、密封劑、涂料和其他飾面，都可以由協作機器人來實現，而且精度很高。協作機器人末端執行器可以互換，因此能根據需要從一個任務切換到另一個任務（圖 7）。
圖 7：協作機器人末端執行器能在任務間輕松切換。這種靈活性可以最小的停機時間切換到不同的生產要求。頂部兩個末端執行器帶有用于 AI 視覺系統的高分辨率攝像頭。（圖片來源：Omron）
檢查成品零件或產品是帶有機器視覺的協作機器人可發揮優勢的另一個領域。對于復雜零件，徹底檢查可能需要從不同的角度獲得高分辨率的圖像，需要協調多個固定的攝像頭。或者，帶有單個攝像頭的協作機器人可以識別正在檢查的零件，并相應地繞零件移動，為完整的視覺檢查捕獲所有需要的圖像。
安全方面的考慮也隨著協作機器人的發展而變化。與工業機器人相比，協作機器人的安全要求更加復雜。由協作機器人和人組成的團隊可以將機器人的重復執行能力與人的個人技能和靈活性相結合。協作機器人（和機器人）精通于需要精度、耐久性和力量的任務，而人則精通于解決不確切的情況和可變的問題。這些互補的技能組合相結合，為人與協作機器人的安全交互帶來了挑戰。
工業機器人的安全標準通常是基于在機器人活動時將操作員排除在工作空間之外的情況。協作機器人的安全性則涉及與人的交互。協作機器人的速度、扭矩和力度限制是決定性的安全標準，包括緊急停機與保護性停機。
協作機器人的緊急停機由操作員發起，這將停止所有的協作機器人動作，并切斷協作機器人電源。而后需要重啟才能從緊急停機中恢復。當人進入協作機器人周圍的保護空間時，會自動引起保護性停機（圖 8）。保護性停機期間，協作機器人仍處于通電狀態。此外，保護性停機期間，系統會監測協作機器人運動編碼器是否出現非預期動作。如果檢測到非預期動作，就會斷電。
圖 8：協作機器人周圍的笛卡爾安全空間（藍框）可以是矩形或圓柱形，定義了一個禁區。如果協作機器人旁邊工作的人進入禁區，協作機器人會啟動保護性停機。（圖片來源：Omron）
一些協作機器人設計有兩種工作速度設置，一種用于最高性能，一種用于最大安全性。在性能設置中，假定沒有人進入協作機器人的保護空間，協作機器人將以高速工作以獲得最大生產力。如果有人進入保護空間，協作機器人就會自動進入人機設置，減小速度、扭矩和力度，實現最大安全性。
關于協作機器人安全性，有幾個不斷發展的標準和準則。ISO 技術標準 15066:2016 和 RIA 技術報告 15.606-2016 都描述了用于減少人類操作員風險的四種協作技術：安全級監控停止、手動引導、速度和分離監測，以及功率和力限制 (PFL) 系統。TS 15066 是規范性的，詳細說明了符合標準所需的步驟。TS 15.606 是信息性的，提供了可用于符合標準的信息和方法。
RIA TR R15.806-2018 描述了一種測試 PFL 系統所施加力的方法。其中需要傳感器系統，以符合與速度和分離監測有關的標準。對于 PFL 系統和安全級監控停止，需要設定禁區安全防護。
ISO 13855:2010 確定了與協作機器人靠近人體特定部位的速度有關的安全防護定位。它提供了一種方法來確定從檢測/禁區到危險區（或啟動安全防護裝置）的最小距離。
協作是工業 4.0 和信息物理系統的一個標志，而協作機器人是推動更高水平協作的關鍵參與方。協作機器人不斷發展，使用更容易、更安全、更靈活。協作機器人教導工具和 AI 的發展使得協作機器人的使用更直觀。不斷發展的協作機器人人機界面 (HMI) 提高了大規模定制生產的生產力和質量。協作機器人并沒有取代機器人；協作機器人正在擴大自動化的機會，而機器人、協作機器人和人之間的界限不斷在變化。協作機器人越來越像同事，而越來越不像工業機器人，協作機器人的安全標準正在擴大，并變得越來越重要，以確保協作機器人與人協作的生產力前景能夠安全實現。
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