工業4.0中的機器人向協作機器人演進

工業機器人出現在工業3.0的黎明，沿著計算機控制和自動化，并經過多年的發展，成為各種行業和過程的專業化。機器人是為大規模生產而設計的;它們通常是孤獨的，在相對孤立的情況下完成特定的任務。隨著工業4.0、網絡物理系統和物聯網（IoT）的出現，一些機器人演變成協作機器人，稱為協作機器人。協作機器人與其環境（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：傳統的工業機器人（左）孤立地運行，而協作機器人（右）被設計為與其環境（包括人和其他機器人或機器）交互。（圖片來源：Omron）

從機器人到協作機器人的進化路徑包括許多適應：協作機器人的操作不同;它們的編程不同;它們往往更小，更簡單，在某些情況下，移動的;與機器人相比，它們用于不同的過程，它們必須遵守不同的安全標準。協作機器人通常不會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。

本文追溯了機器人向協作機器人的演變：比較了機器人和協作機器人的不同操作方式;回顧了協作機器人使用的不同編程方法;討論了人工智能（AI）、物聯網和其他技術的使用，以實現協作機器人的移動性和與人的交互;詳細介紹了cobots擅長的一些應用，如過程精加工操作，質量控制，物流/材料運輸等;并審查了協作機器人的擴展安全標準。在整個過程中，它描繪了未來的網絡物理操作的圖景，這些操作將機器人、協作機器人和人融合在一起，以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。

協作機器人不僅可以與人一起工作，還可以從一個地方移動到另一個地方（圖2）。這些特征對協作機器人編程、協作機器人使用的地點和時間以及協作機器人安全要求具有重要意義。

圖2：協作機器人可以根據特定任務的需要從一個地方移動到另一個地方。（圖片來源：Omron）

教學協作機器人

工業機器人使用C和C++等語言編程。協作機器人已經發展到使用各種無代碼工具進行“教學”，如吊墜、平板電腦，甚至手動將協作機器人手臂從一點移動到另一點（圖3）。采用不同的教學方法而不是傳統的編程，使協作機器人能夠更快地學習新任務，這在協作機器人從一個任務轉移到另一個任務時非常重要。編程工業機器人所需的時間具有經濟意義，因為它在高生產應用中使用相對較長的時間。另一方面，協作機器人需要快速學習新流程，以避免長時間昂貴的停機時間。機器操作員可以在不需要專業程序員幫助的情況下教授協作機器人特定的任務。諸如拾取和放置等任務，包括對結果的目視檢查，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手臂從一個位置移動到另一個位置來訓練。操作員的右手放在一個高分辨率的攝像頭上，協作機器人可以用它來查看它在哪里以及那個位置有什么。（圖片來源：Omron）

人工智能加上機器視覺可以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了一系列功能，如對象識別和定位、條形碼和圖騰解釋、模式匹配和顏色識別。視覺系統還可以通過手勢引導協作機器人從一個位置到另一個位置，并教它一個新的過程。在其他情況下，機器操作員可以使用平板電腦上基于拖放流程圖的系統快速有效地教授協作機器人（圖4）。

圖4：直觀的拖放示教/編程最大限度地提高協作機器人的生產力和靈活性。（圖片來源：Omron）

除了與人合作，協作機器人還可以與自主移動的機器人（AMR）合作，從一個任務到另一個任務（圖5）。AMR是專業的協作機器人，與人、協作機器人、機器人和機器協同工作，以出色的效率執行物料搬運等任務。與物料搬運一樣，將協作機器人從一個地方移動到另一個地方并不是一項高技能的活動，因此適合AMR的實施。AMR通過將機載傳感器和計算相結合來從一個地方導航到另一個地方，以了解其直接環境，并通過無線連接到整個設施中的集中計算資源和復雜的傳感器網絡，以幫助AMR了解計劃路線上的障礙物的位置，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5：一個機械手協作機器人（上）可以被一個自主的移動的機器人（下）拾取并移動到一個新的工作站。（圖片來源：Omron）

協作機器人有什么用？

協作機器人與AMR、人、其他機器人和機器一起工作的能力為自動化開辟了新的機會。協作機器人在各種各樣的行業和流程中用于大規模定制，例如裝配操作，分配，螺絲驅動，機器維護，自動化，拾取和放置等，從汽車到食品加工和半導體制造等同樣廣泛的行業（圖6）。

圖6：協作機器人非常靈活，可以用于各種應用。（圖片來源：Omron）

重復性或復雜的裝配任務可以通過協作機器人與人一起工作來有效執行。如果與AMR配對，協作機器人可以改善復雜揀選操作的實施和將材料運送到工作現場。一旦材料被運送到生產線的末端，協作機器人就可以快速地將產品分類以便裝運。使用機器視覺和人工智能，協作機器人可以檢查、分類和從傳送帶上拾取成品零件，并將它們放入紙箱。協作機器人可以快速調整自己的行為，以適應新產品和季節變化。

協作機器人適用于各種制造過程，包括（如前所述）機器維護、螺絲驅動和點膠。數控機床、沖壓和沖床、各種切割機和注塑站都是機器維護任務，協作機器人可以將人們從重復和潛在危險的活動中解脫出來。螺桿驅動協作機器人增加了精度和一致的扭矩，從而實現比手動裝配更高的質量?？赏ㄟ^協作機器人以高精度分配各種材料，如膠水、密封劑、油漆和其他飾面。協作機器人末端執行器是可互換的，使協作機器人能夠根據需要從一個任務移動到另一個任務（圖7）。

圖7：Cobot末端執行器可以輕松切換以執行任何任務。這提供了切換到不同的生產要求的靈活性，最小的停機時間。前兩個末端執行器包括一個用于基于AI的視覺系統的高分辨率相機。（圖片來源：Omron）

檢查成品零件或產品是具有機器視覺的協作機器人可以擅長的另一個領域。如果零件很復雜，徹底的檢查可能需要來自各個角度的高分辨率圖像，需要多個固定相機的協調?；蛘?，具有單個攝像頭的協作機器人可以識別被檢測的部件，并相應地在部件周圍移動，捕獲完整視覺檢測所需的所有圖像。

協作機器人安全性的發展

協作機器人的安全考慮也在沿著發展。與工業機器人相比，協作機器人的安全要求更為復雜。由協作機器人和人組成的團隊可以將機器人的重復性能與人的個人技能和靈活性聯合收割機結合起來。協作機器人（和機器人）精通需要精確度、耐力和力量的任務，而人類則精通解決不精確的情況和可變的問題。結合這些互補的技能組合帶來了與人和協作機器人之間的安全交互相關的挑戰。

工業機器人的安全標準通?；谠跈C器人活動時將操作員排除在工作空間之外。Cobot安全預期與人的互動。Cobot的速度、扭矩和力限制是定義安全標準，包括緊急停止和保護停止。

合作機器人的緊急停止是操作員發起的;它停止所有合作機器人的運動并從合作機器人中移除動力。從緊急停止中恢復需要重新啟動。當人進入協作機器人周圍的保護空間時，保護停止自動發生（圖8）。在保護性停止期間，協作機器人仍然通電。此外，在保護性停止期間，協作機器人運動編碼器被監測用于意外運動。如果檢測到意外運動，則斷電。

圖8：協作機器人周圍的腕關節安全空間（藍色框）可以是矩形或圓柱形，并定義了一個禁區。如果在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止。（圖片來源：Omron）

一些協作機器人設計有兩種操作速度設置，一種用于最大性能，另一種用于最大安全性。在性能設置中，假設沒有人會進入合作機器人的保護空間，合作機器人將以最高的生產率高速運行。如果有人進入受保護的空間，協作機器人會自動進入人機協作設置，以降低速度、扭矩和力，實現最大的安全性。

關于協作機器人的安全性，有幾個不斷發展的標準和指南。ISO技術標準15066：2016和RIA技術報告15.606-2016都描述了用于降低人類工人風險的四種協作技術：安全級監視器停止、手引導、速度和分離監視以及動力限制（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，提供了可用于標準合規性的信息和方法。

RIA TR R15.806-2018描述了一種用于測試PFL系統施加的力的方法。傳感器系統需要符合與速度和分離監測相關的標準。對于PFL系統和安全級監控站，要求在禁區內進行安全保護。

ISO 13855：2010建立了關于協作機器人接近人體特定部位的速度的防護措施的定位。它提供了一種方法來確定從探測區/禁區或啟動保障裝置到危險區的最小距離。

總結

協作是工業4.0和網絡物理系統的標志，協作機器人是推動更高水平協作的關鍵參與者。協作機器人不斷發展，使其更容易，更安全，更靈活地使用。協作機器人教學工具和人工智能的進步使得使用協作機器人更加直觀。協作機器人不斷發展的人機界面（HMI）提高了大規模定制生產的生產率和質量。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，機器人、協作機器人和人之間的界限越來越不固定。隨著協作機器人變得越來越像同事，而不像工業機器人，協作機器人安全標準正在擴大，并變得越來越重要，以確保安全地實現協作機器人-人類協作的生產力承諾。


審核編輯 黃宇