协作前景

　　2014年，全球工业机器人制造“四大家族”之一的ABB推出了世界上首款协作机器人YuMi，开启了工业机器人的一个新篇章。未来工业4.0时代，智慧工厂里的生产线柔性化程度更高，机器人需要与人协同共享一个工作空间，人机协作机器人有望成为机器人领域下一个增长点。

　　协作机器人，是一种可以在一定区域内安全的与人类进行直接交互的机器人。协作机器人的操作相对较为简单，是工业机器人的一个分系，在价格上也比传统工业机器人“亲民”的多。

　　瑞士ABB公司的YuMi

　　协作机器人的兴起意味着传统工业机器人必然有某些不足，或者无法适应新的市场需求。主要有三点：

　　一是传统工业机器人部署成本高；

　　二是传统工业机器人无法满足中小企业需求；

　　三是无法满足新兴的协作市场需求。

　　和传统工业机器人比较，协作机器人在体型上就跟它不在一个档次。为了达到“协作”的目的，机器人与人类之间的工作距离就不能太远，因而，协作机器人尺寸都是偏小的，甚至可以直接放置在工作台。

　　除了与传统工业机器人有近似的运转速度和精确度以外，协作机器人还拥有一些传统工业机器人所没有的优势，例如轻巧、安全、价格低、灵活性高、友善的操作接口及人机协作等特色，不仅使大型企业的生产流程更上一层楼，也为原本却步于自动化生产的中小型企业开启新的契机。

　　Re Think RoboTIcs的Baxter是新一代协作工业机器人

不管是从市场，还是技术层面来讲，协作机器人都有着不可取代的优势与市场前景，已然是未来市场上的一大趋势。

　　据分析机构Marketsand Markets研究报告，预计2016年至2022年期间，协作机器人有望年复合增长60%，从2015年的接近1.1亿美元升值到2022年的超过33亿美元。

  协作机器人行业规范

　　协作型机器人的有序发展离不开行业规范和安全标准的约束。2013年5月，美国机器人工业协会（RIA）宣布新的机器人安全标准已经通过美国国家标准学会（ANSI）的认可。

　　新ANSI/RIAR15.06-2012版本标准是1999版本标准的升级版，等同于国际ISO10218：2011机器人安全标准。其中一项对国际等同标准的重要升级覆盖了人员和机器人的协同工作情况。

　　此标准为协同机器人作业提出了四项要求，确保人员可以靠近一台正在运行的无安全护网的机器人。处于协同工作模式下的机器人必须满足标准提出的四项要求之一：

　　安全级监测站——这种操作模式要求机器人系统监控工作区域，当有人进入协同工作区域时，停止一切动作。这种监测可能涉及使用激光监测是否有人跨越工作区边缘，切换到监测封闭空间是否打开了门，以及类似的东西。

　　手动示教——此类机器人不具备自主功能，需要工人操作员控制机器人的每一个动作。运动的速度也受到监控，并保持在机器人内部系统的安全限值内。

　速度和分离监测——机器人以这种方式监测和限制他们的运动速度，并监测协同工作区域里各个部件和工人的距离。机器人的运动必须保持在与工人的最小距离之外，或者当工人离得太近时，机器人将停止运动。

　　功率和力量限制——当此类机器人有运动速度和功率限制的设计，当它与工人或其他物体接触时，内置的传感器就能检测到。当类似接触发生时，速度和功率限制将使得碰撞能量不足以造成严重伤害。

　　国际委员会起草了ISO技术规范（TS）15066，作为在协同工作模式下使用此标准的指导。具体内容仍在进行技术开发，开发完成之后需要征得业界的认可才能作为ISO10218安全标准的补充。

　　通过这一系列的定义，协作机器人的操作并不陌生。当配置了恰当的工作区域限制监测传感器，并编程实现恰当的反应时，传统工业机器人也能实现第一种模式的功能。然而，已经开始出现在第四种模式下运行的机器人，能够在不受限制的环境中工作。这种机器人通常针对微小零部件组装或要求高精度搞重复度的材料搬运。通常这些人物包括协助工人自动完成日常任务，而工人则处理需要判断或不易被机器人替代的操作任务。

　　协作机器人目前有几种形式。其中最常见的一种是单个机械臂固定在工作台、墙壁或天花板上，可以伸入工作区工作。类似于RethinkRoboTIcs的Baxter机器人和ABB的YuMi，外表更像人形，有两只机械臂，躯干，甚至还有一个“头”。这种机器人可以独自站立，能够像工人一样在工作站操作，因此也更容易像工人一样进入工厂流水线。而另一些，例如Kawada的Nextage，则安装有轮子，可以快速重新部署。

　　协作机器人发展趋势

　　从安全防护网走出来的协作机器人在克服了自身安全隐患，证明自己可以与工人并肩作战后，等待它们的是更加多样化的工作任务和工作环境。当今制造业以分布式作业模式为特征，其生产任务和环境的多样化是无法避免且又亟待解决的。协作机器人若能填补此项技术空白，将会成为工业领域一项划时代的突破，将会降低生产成本，提高生产效率，甚至重新定义自动化制造概念。

　　机器人软件技术的不断深化与进步给协作型机器人的发展提供了肥沃的土壤，大大增强了协作型机器人的“软实力”。更为便捷的软件技术使得安装维护成本骤减，同时机器人参数更改和调试周期从过去的数年数月缩减到数天。

主要的软件技术有：

　　1.柔顺运动控制技术。对于焊接、搬运和喷涂类工作，机器人位置控制足以满足任务需求。然而对于切削、打磨抛光，尤其是装配等作业中，柔顺运动控制是必不可少的。这是因为焊接喷涂等对于位置精度的要求非常高，需要在运动方向上表现出很硬的特性，也就是很大的刚性；而打磨装配中需要在运动方向上实现力控制，因此需要有较软的特性，也就是较小的刚性。

　　2．高级人工智能。人工智能（ArTIficial Intelligence）是对人的意识、思维

　　的信息过程的模拟，将此模拟结果赋予机器人，则机器人就可以像人类一样

　　传感器集成化和机器视觉。机器人传感器是用来检测机器人自身的工作状态，

　　以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。机器人传感器能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号，反馈到中央处理系统或末端执行器上。而为了实现在复杂、动态以及不确定性环境下的行动自主性，需要快速集成视觉、听觉、压觉、热觉和力觉等不同功能的传感器，通过合理组合，形成机器人的感知系统。传感器集成化将促使机器人对未建模或半建模状态的外界环境变化做出实时、准确、灵活的行为响应，协作机器人也将能够更快地适应不同要求的作业场合。

　　3．可扩展软件架构。软件架构的可扩展性决定了机器人能在多大程度上整合更

　　多功能模块而不超出系统可承受范围。目前研究热点之一的可重构机器人（Reconfigurable Robot）就是基于可扩展的软硬件平台发展而来的。未来机器人市场将会向以功能模块为单位，并且针对各个不同的作业要求个性化定制的方向发展。

　　宝马工厂中工人和协作机器人一同作业

   国内外主要协作机器人公司

　　目前研发协作型机器人的企业分成三类：一是拥有核心技术的创新型企业，例如丹麦Universal Robots的UR系列机器人和美国Rethink Robo TIcs的Baxter和Sawyer协作机器人；二是传统工业机器人巨头，比如ABB的YuMi协作机器人Kuka的LBRiiwa智能工业工作助理等；三是互联网企业，比如谷歌、亚马逊等，这些类型企业大都具备核心技术、大量业内资源、以及资本运作等优势。

　　国内已有新松机器人、广州启帆、山思跃立、远荣机器人等为代表的自主品牌协作型机器人。

　　表1：国内外主要协作机器人公司

　　中国协作机器人迎“弯道超车”机遇

　　在机器人领域，国外巨头在核心零部件积累了多年的经验和技术，具有垄断地位，我国机器人处于追赶者的角色，占领制高点难度较大。如何去弯道超车，我国机器人产业人要换个角度去思考，需要看到行业的新兴领域。

　　比如机器人在汽车领域应用已非常广泛和成熟，但在电子行业由于市场需求的多样性，对人机协作的需求更高。近几年来，3C产品的销量一直处于稳步增长中。协作机器人的柔性、灵活度和精准度正好符合了3C产品配件安装等工作的要求。

中国目前许多产业正处于转型的关键期，中小企业对低成本自动化有强烈的需求。我国共拥有超过5000万家企业，其中中小企业就占了99%，而低成本自动化向来都是中小企业梦寐以求的生产模式。

　　传统工业机器人的价格一般在10万-40万人民币之间，而要将其应用到企业生产线，还将要多出2-3倍的部署花费，这个支出对于利润微薄的中小企业而言是承受不起的；而协作机器人的价格一般介于2-3万美元，因为省去了部署的过程，从而比传统工业机器人少去了那个“大头”的支出。因此协作机器人显然更适合中小企业。

　　出于效率的需求，人们在生产线上引入了工业机器人，但由于安全性的欠缺，工业机器人又只能被限制在一个“监狱”之内，再加上体积庞大等因素，要想完成一些细致的工作，对于传统工业机器人来说，真的是太难了。

　　在这方面，协作机器人就填补了这个空缺。对于一些讲究细致的工作，其准确性与灵活性在很大程度上能够满足工作的需求，而它缓慢的速度也为人类提供了一些安全保障。像3C产品的装配，一边是协作机器人准确地零件放置，一边是人类的快速组装，两处相得益彰，大大提高了生产线的效率。

　　如今的制造业日新月异，其技术需求也发生了巨变。企业们在寻求全新而经济的方式来满足不断变化的客户需求，具备灵活性的自动化也随之成为全球众多工厂的优先考量事项。

　　协作机器人将用到很多先进技术，其中包括机器视觉技术，这将有助于国内企业切入机器人产业上游环节，提升附加值。

　　由于机器视觉技术主要依靠的软件服务、半导体芯片和传感器等硬件产品已经在我国已具备良好的发展基础，从而有助于国内企业快速进入产业链上游开发环节，而且对于加快制造业转型升级，提高生产效率，实现制造过程的智能化和绿色化发展具有重要的意义。

　　结语

　　目前从小型作坊，到横跨全球的制造业巨无霸，都已经呈现出制造业的未来形态，智能协作机器人正在引领制造业迈向生产效率更高的将来。随着技术的发展，相信协作机器人最终将变成一个过渡概念，未来所有的机器人都应该具备与人类一起安全的协同工作的特性。

　　工程师们，你们怎么看协作机器人的市场和技术趋势？