“機(jī)器換人” 還是 “人機(jī)協(xié)作” ？

寂靜天花板

雖然工作人員死于機(jī)器事故的案例并不鮮見，但這起事件觸動(dòng)了人們敏感的神經(jīng)：難道科幻電影中的故事真的會(huì)成為現(xiàn)實(shí)？
很難想像，人類世界會(huì)像電影中那樣，真正面臨機(jī)器逆襲人的時(shí)代。而就在前不久，東莞長(zhǎng)盈精密開建首個(gè)“無人工廠”；上海海立集團(tuán)設(shè)立的機(jī)器人“第二人力資源部”， 計(jì)劃到今年末投入使用356 臺(tái)機(jī)器人，減少用工1,000 余人。一系列新聞引發(fā)了制造業(yè)對(duì)“機(jī)器換人”的空前關(guān)注。
: c: B2 a3 n3 o1 R; r中國(guó)制造業(yè)“機(jī)器換人”的高峰正值當(dāng)下，但這實(shí)際上意味著，機(jī)器與人已經(jīng)從單純的“替換”和“被替換” 升華至更高層級(jí)的協(xié)作，同時(shí)人在機(jī)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(shí)現(xiàn)智能制造、個(gè)性化制造提供有力的支持；人與機(jī)器將以前所未有的方式來并肩工作。
協(xié)作型人機(jī)器人的前世今生
一直以來，國(guó)際機(jī)器人市場(chǎng)都是一些由工程師為對(duì)應(yīng)制造業(yè)設(shè)計(jì)的重型、昂貴且笨拙的機(jī)器人，但在實(shí)踐應(yīng)用中，并非所有的工業(yè)流程環(huán)節(jié)都需要大型機(jī)器人來提取較重的負(fù)載，取而代之的是輕便、敏捷的機(jī)械臂越來越多地承擔(dān)了組裝和提取工作。更加靈活的機(jī)械臂于是成為一種承擔(dān)每天工作的可行性方案，小型的，低噪音的，低功耗的機(jī)器人是應(yīng)對(duì)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化和合理化需求最簡(jiǎn)單、最合理的解決方案。順應(yīng)市場(chǎng)需求，“協(xié)作機(jī)器人”悄然誕生，這種新型機(jī)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(jìn)行隔離，并有望填補(bǔ)全手動(dòng)裝配生產(chǎn)線與全自動(dòng)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(rèn)為機(jī)器人自動(dòng)化過于昂貴和復(fù)雜，因而從不去考慮應(yīng)用的可能性。然而，輕便靈活的“協(xié)作型” 機(jī)器人成為了中小企業(yè)的福音。
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圖1 協(xié)作機(jī)器人Baxter 與工人一同在流水線作業(yè)
( v& S: }5 e, U4 }* M5 r% g) o協(xié)作型機(jī)器人的定義和行業(yè)應(yīng)用情況
協(xié)作型機(jī)器人又名人機(jī)協(xié)同作業(yè)機(jī)器人，它的發(fā)明旨在引導(dǎo)或輔助人類實(shí)現(xiàn)特定作業(yè)任務(wù)，從而降低人類勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。需要指出的是，假設(shè)人類與協(xié)同機(jī)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(jī)器人將具備感知這一行為并及時(shí)糾正的能力。同時(shí)，協(xié)作機(jī)器人可以實(shí)時(shí)感知甚至預(yù)測(cè)作業(yè)過程中與人體的接觸并能迅速規(guī)避以避免傷害。
2 Z. K3 t2 c2 ^9 V8 g6 h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(jī)器人在技術(shù)上并不現(xiàn)實(shí)。如果機(jī)器人和人類沒有緊密互動(dòng)，則二者的生產(chǎn)潛力都無法發(fā)揮出來。協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)把人類的靈活性、適應(yīng)性和解決問題的能力與機(jī)器人的力量、耐久性和動(dòng)作的準(zhǔn)確性結(jié)合起來，這將能顯著改善當(dāng)今生產(chǎn)裝配的困境。

圖2 寶馬美國(guó)工廠中工人和協(xié)作機(jī)器人一同作業(yè)
早在2012 年12 月，德國(guó)著名汽車生產(chǎn)廠商寶馬公司率先在其美國(guó)卡羅萊納州斯帕坦堡市的汽車工廠采用協(xié)作機(jī)器人。它們將與人類員工共同完成對(duì)汽車車門的絕緣和防水處理工序。人類員工負(fù)責(zé)向車門噴灑膠水，與此同時(shí)，協(xié)作機(jī)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(jī)器人的參與，人類員工要花費(fèi)一到兩小時(shí)來移動(dòng)笨重的車門，倘若一味強(qiáng)行提高工作效率，工人的身體健康會(huì)受到極大損害。鑒于協(xié)作機(jī)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(jī)器人增加更多的工作種類，這意味著寶馬公司會(huì)把當(dāng)前常規(guī)機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)移植到協(xié)作機(jī)器人身上。
# |# b9 \4 U, f& X; u! E0 Z協(xié)作型機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化率較低，甚至至今還未引起國(guó)內(nèi)企業(yè)的足夠重視。國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)在今年的政府工作報(bào)告中提出，要實(shí)施“中國(guó)制造2025”，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展，加快從制造大國(guó)轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國(guó)的步伐。在堅(jiān)持“以人為本”的思想發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的進(jìn)程中，協(xié)作機(jī)器人將占據(jù)極其重要的戰(zhàn)略地位。
8 e4 m. x; ~, K' N& b: J協(xié)作型機(jī)器人的主要產(chǎn)品和行業(yè)規(guī)范
協(xié)同作業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)者頗多——從iRobot 公司的Baxter 類人多用途機(jī)器人到安川Motoman 高速高精度機(jī)器人，再到性能指標(biāo)位于兩者之間的丹麥Universal Robots 六軸機(jī)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)。
# [2 k4 V: X0 Y( Z◆ 丹麥Universal Robots 的優(yōu)傲（UR）系列機(jī)器人

圖3 UR10 機(jī)器人
其中尺寸最大的UR10 機(jī)器人可處理高達(dá)10kg 的負(fù)載自動(dòng)化作業(yè)， 延伸半徑達(dá)1300mm。其特點(diǎn)在于其基于平板電腦、簡(jiǎn)潔易用的用戶界面和示教系統(tǒng)，以及機(jī)器人本體安裝的便捷性。
◆ 瑞士ABB 公司的YuMi

圖4 ABB YuMi 機(jī)器人
ABB 的YuMi 是一個(gè)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(jī)器人

圖5 Mabi 的Speedy 機(jī)器人
Speedy 協(xié)作機(jī)器人是一款輕型的6 軸工業(yè)機(jī)器人，其負(fù)載約為10kg，工作范圍達(dá)1384mm，其操作臂末端配有氣動(dòng)卡爪。鑒于其低成本的特性，有望進(jìn)一步降低協(xié)作機(jī)器人的門檻。
! c; h) x. T1 T  x7 }4 ]◆ 美國(guó)Rethink 公司的Baxter
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圖6 Baxter 協(xié)作型機(jī)器人
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(wù)執(zhí)行程度而變化。Baxter 擁有一套復(fù)雜的安全機(jī)制和多種傳感器，可以保護(hù)它所協(xié)助的人的安全。
: D: v$ ^8 H" e/ bBaxter 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(huì)放慢動(dòng)作。Baxter 現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工廠，科研和教學(xué)場(chǎng)合。Baxter 底部配有滾輪和基架，可以安裝在流水線任意地點(diǎn)。
◆ 德國(guó)KUKA 的LBR iiwa 機(jī)器人

圖7 KUKA 的LBR iiwa 機(jī)器人協(xié)作型機(jī)器人
LBR iiwa 是一款單臂7 自由度機(jī)器人操作臂，它是為實(shí)現(xiàn)直接的人機(jī)協(xié)作而設(shè)計(jì)，集靈敏性、柔性、和輕型驅(qū)動(dòng)技術(shù)于一體，適用于工業(yè)領(lǐng)域。最大缺點(diǎn)在于價(jià)格較為昂貴，是優(yōu)傲機(jī)器人的3 倍之多。
另一方面，協(xié)作型機(jī)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(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)（RIA）宣布最新的機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（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(jí)版，等同于國(guó)際ISO10218:2011 機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)。其中一項(xiàng)對(duì)國(guó)際等同標(biāo)準(zhǔn)的重要升級(jí)覆蓋了人員和機(jī)器人的協(xié)同工作情況。此標(biāo)準(zhǔn)為協(xié)同機(jī)器人作業(yè)提出了四項(xiàng)要求，確保人員可以靠近一臺(tái)正在運(yùn)行的無安全護(hù)網(wǎng)的機(jī)器人。處于協(xié)同工作模式下的機(jī)器人必須滿足標(biāo)準(zhǔn)提出的四項(xiàng)要求之一：
' A3 m7 K9 A0 B# \1 @◆具有安全等級(jí)的受控制動(dòng)；
◆手控；
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0 c2 {' u+ A& d◆速度和間距監(jiān)控；

% R0 K! x2 Y2 @! K  D& U% A◆限制功率和力。
' C" B/ x5 a- V2 C) o國(guó)際委員會(huì)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(jìn)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(bǔ)充。目前，標(biāo)準(zhǔn)中僅僅提到需要對(duì)功率和力進(jìn)行限制，但是并未明確指出應(yīng)該將功率和力限制在什么水平。
協(xié)作機(jī)器人新技術(shù)探索
0 Y4 b3 h+ Y( n) W/ o1 G8 a* }毫無疑問，從安全防護(hù)網(wǎng)走出來的協(xié)作機(jī)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。倘若協(xié)作機(jī)器人能夠填補(bǔ)此項(xiàng)技術(shù)空白，這將會(huì)成為工業(yè)領(lǐng)域一項(xiàng)劃時(shí)代意義的突破。它會(huì)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，甚至重新定義自動(dòng)化制造這一概念。
" ]( h/ }+ V6 V) p' U1 v* z機(jī)器人軟件技術(shù)的不斷深化與進(jìn)步給協(xié)作型機(jī)器人的發(fā)展提供了肥沃的土壤，大大增強(qiáng)了協(xié)作型機(jī)器人的“軟實(shí)力”。更為便捷的軟件技術(shù)使得安裝維護(hù)成本驟減，同時(shí)機(jī)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：
3 W: L! l4 {+ r9 U8 `- i! `1. 柔順運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。對(duì)于焊接、搬運(yùn)和噴涂類工作， 機(jī)器人位置控制足以滿足任務(wù)需求。然而對(duì)于切削、打磨拋光，尤其是裝配等作業(yè)中，柔順運(yùn)動(dòng)控制是必不可少的。這是因?yàn)楹附訃娡康葘?duì)于位置精度的要求非常高，需要在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向上實(shí)現(xiàn)力控制，因此需要有較軟的特性， 也就是較小的剛性。
( ~% i. o1 v6 k- \以裝配作業(yè)為例，如果機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式與人類近似，則機(jī)器人能感知與工件的相互作用，順利地引導(dǎo)工件的運(yùn)動(dòng)方向甚至能自動(dòng)將工件安裝在夾具上。
2. 高級(jí)人工智能。人工智能（Artificial Intelligence）是對(duì)人的意識(shí)、思維的信息過程的模擬，將此模擬結(jié)果賦予機(jī)器人，則機(jī)器人就可以像人類一樣具有自我意識(shí)。高級(jí)人工智能是一門研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)科學(xué)，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。
若協(xié)作型機(jī)器人被成功賦予高級(jí)人工智能，機(jī)器人將獲得與真人一般的“常識(shí)”，從而能人機(jī)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(jī)率，使得機(jī)器人變得更“聰明”。
  V% W0 `9 z, d) T5 K3. 傳感器集成化和機(jī)器視覺。機(jī)器人傳感器是用來檢測(cè)機(jī)器人自身的工作狀態(tài)，以及機(jī)器人智能探測(cè)外部工作環(huán)境和對(duì)象狀態(tài)的核心部件。機(jī)器人傳感器能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，反饋到中央處理系統(tǒng)或末端執(zhí)行器上。而為了實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜、動(dòng)態(tài)以及不確定性環(huán)境下的行動(dòng)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(jī)器人的感知系統(tǒng)。傳感器集成化將促使機(jī)器人對(duì)未建模或半建模狀態(tài)的外界環(huán)境變化做出實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、靈活的行為響應(yīng)， 協(xié)作機(jī)器人也將能夠更快地適應(yīng)不同要求的作業(yè)場(chǎng)合。
4. 可擴(kuò)展軟件架構(gòu)。軟件架構(gòu)的可擴(kuò)展性決定了機(jī)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(diǎn)之一的可重構(gòu)機(jī)器人（Reconfigurable Robot）就是基于可擴(kuò)展的軟硬件平臺(tái)發(fā)展而來的。未來機(jī)器人市場(chǎng)將會(huì)向以功能模塊為單位，并且針對(duì)各個(gè)不同的作業(yè)要求個(gè)性化定制的方向發(fā)展。
總結(jié)和展望
! H' r& F* k+ _- d隨著工業(yè)4.0 時(shí)代的來臨，全世界的制造企業(yè)也即將面對(duì)各種新的挑戰(zhàn)。有些挑戰(zhàn)已經(jīng)通過日益成熟的自動(dòng)化及自動(dòng)化解決方案中機(jī)器人的使用得到了應(yīng)對(duì)。在過去的生產(chǎn)線和組裝線等工作流程中，人和機(jī)器人是隔離的，這一格局將有所改變。協(xié)作型機(jī)器人將會(huì)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)局部自動(dòng)化，以優(yōu)化生產(chǎn)線。引進(jìn)協(xié)作型機(jī)器人會(huì)為生產(chǎn)線和組裝線應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)開拓新的機(jī)遇，找到更好的解決方案， 把人和機(jī)器人各自的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致。
“智能工廠”、“無人工廠”在工業(yè)4.0 時(shí)代成為大熱之詞，并被認(rèn)為是自動(dòng)化的最高境界。那么，這是否意味著未來人將被機(jī)器所取代呢？其實(shí)不然，我們應(yīng)該這樣理解： 未來的工廠將是人與機(jī)器和諧共處的所締造的。協(xié)作型機(jī)器人作為一種新型的機(jī)器人，它將小件裝配等自動(dòng)化應(yīng)用帶入了一個(gè)全新時(shí)代，工人與機(jī)器人可以和諧共處，共同完成一個(gè)任務(wù)。
! F  f) J5 L! x1 A, G: y. h& e在我國(guó)逐漸步入老齡化、少子化的現(xiàn)實(shí)面前，發(fā)展協(xié)作型機(jī)器人是促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力質(zhì)的提升的行之有效的手段。當(dāng)前我們產(chǎn)學(xué)研三方共同努力的目標(biāo)，就是實(shí)現(xiàn)人類勞動(dòng)力和機(jī)器人勞動(dòng)力的歷史性“握手”，讓人類與機(jī)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(zhǎng)的物質(zhì)需求。
當(dāng)今協(xié)作型機(jī)器人發(fā)展的浪潮中，協(xié)作機(jī)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(dòng)。希望在不久的將來，協(xié)作機(jī)器人能在國(guó)務(wù)院提出的“中國(guó)制造2025”的大格局下茁壯成長(zhǎng)。
- q4 p) D# ?- b, e, [5 l+ P6 U

龍游大海

協(xié)作型機(jī)器人

赤發(fā)鬼李逵

應(yīng)該還是人機(jī)協(xié)同吧，機(jī)器人代替人那么要人干神馬？

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人機(jī)協(xié)同是趨勢(shì)