在工業(yè) 3.0 之初，工業(yè)機(jī)器人伴隨著計(jì)算機(jī)化控制和自動(dòng)化一起出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展后，已成為各行業(yè)和流程的專業(yè)化機(jī)器人。機(jī)器人是為大規(guī)模生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的；它們通常獨(dú)自工作，在相對(duì)孤立的情況下執(zhí)行特定任務(wù)。隨著工業(yè) 4.0、信息物理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，一些機(jī)器人發(fā)展成為協(xié)作機(jī)器人。協(xié)作機(jī)器人與環(huán)境（包括人和其他機(jī)器人）交互，并支持靈活制造和大規(guī)模定制（圖 1）。
圖 1：傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人獨(dú)自工作（左），而協(xié)作機(jī)器人（右）的設(shè)計(jì)是為了與環(huán)境交互，包括人和其他機(jī)器人或機(jī)器。（圖片來(lái)源：Omron）
從機(jī)器人到協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程包括大量改變：協(xié)作機(jī)器人的工作方式不同，編程也不同，它們往往更小、更簡(jiǎn)單，在某些情況下還可以移動(dòng)；與機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。協(xié)作機(jī)器人一般不與機(jī)器人競(jìng)爭(zhēng)或取代機(jī)器人；協(xié)作機(jī)器人擴(kuò)大了采用自動(dòng)化流程的機(jī)會(huì)。
本文追溯了從機(jī)器人到協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程：比較了機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人不同的工作方式；回顧了協(xié)作機(jī)器人使用的不同編程方法；討論了使用人工智能 (AI)、物聯(lián)網(wǎng)和其他技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人的移動(dòng)能力和與人的交互；詳細(xì)介紹了協(xié)作機(jī)器人擅長(zhǎng)的一些應(yīng)用，如工藝整理操作、質(zhì)量控制、物流/材料運(yùn)輸?shù)龋徊⒒仡櫫藚f(xié)作機(jī)器人的擴(kuò)大安全標(biāo)準(zhǔn)。其中，文章描繪了一幅未來(lái)的信息物理操作全景，融合了機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和人，最大限度地提高生產(chǎn)力和質(zhì)量，同時(shí)最大限度地降低總體成本。
協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅支持與人一起工作，而且可以從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方（圖 2）。這些特點(diǎn)對(duì)協(xié)作機(jī)器人編程、協(xié)作機(jī)器人的使用地點(diǎn)和時(shí)間以及協(xié)作機(jī)器人的安全要求有重要影響。
圖 2：協(xié)作機(jī)器人可以根據(jù)具體任務(wù)的需要從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方。（圖片來(lái)源：Omron）
教導(dǎo)協(xié)作機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人用 C 和 C++ 等語(yǔ)言進(jìn)行編程。協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展到可以使用各種無(wú)代碼工具進(jìn)行“教導(dǎo)”，如吊燈、平板電腦，甚至手動(dòng)將協(xié)作機(jī)器人支臂從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)（圖 3）。通過(guò)不同的教導(dǎo)方法而非傳統(tǒng)編程，協(xié)作機(jī)器人能夠更快地學(xué)習(xí)新任務(wù)；當(dāng)協(xié)作機(jī)器人從一個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)任務(wù)時(shí)，這非常重要。對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行編程所需的時(shí)間具有經(jīng)濟(jì)意義，因?yàn)樵诟弋a(chǎn)應(yīng)用中使用的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。另一方面，協(xié)作機(jī)器人需要快速學(xué)習(xí)新的流程，以免長(zhǎng)期且昂貴的停機(jī)時(shí)間。機(jī)器操作員可以教會(huì)協(xié)作機(jī)器人具體任務(wù)，無(wú)需專業(yè)程序員的幫助。諸如拾放等任務(wù)，包括對(duì)結(jié)果的目視檢查，都可以在幾分鐘內(nèi)教給協(xié)作機(jī)器人。
圖 3：協(xié)作機(jī)器人可以通過(guò)將其支臂從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置進(jìn)行訓(xùn)練。操作員的右手放在一個(gè)高分辨率的攝像頭上，機(jī)器人用該攝像頭來(lái)查看所處的位置和該位置上的東西。（圖片來(lái)源：Omron）
AI 和機(jī)器視覺(jué)能幫助改善協(xié)作機(jī)器人的學(xué)習(xí)和功能。智能協(xié)作機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)提供各種能力，如物體識(shí)別和定位、條形碼和圖騰解釋、模式匹配和顏色識(shí)別。視覺(jué)系統(tǒng)還能通過(guò)手勢(shì)引導(dǎo)協(xié)作機(jī)器人從一個(gè)位置到另一個(gè)位置，并教會(huì)協(xié)作機(jī)器人新的流程。在其他情況下，機(jī)器操作員可以使用平板電腦上基于拖放的流程圖系統(tǒng)快速高效地教導(dǎo)協(xié)作機(jī)器人（圖 4）。
圖 4：直觀的拖放式教導(dǎo)/編程最大限度地提高了協(xié)作機(jī)器人的生產(chǎn)力和靈活性。（圖片來(lái)源：Omron）
除了與人合作外，協(xié)作機(jī)器人還可以與自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 合作，從一個(gè)任務(wù)移動(dòng)到另一個(gè)任務(wù)（圖 5）。AMR 是專業(yè)的協(xié)作機(jī)器人，它與人、協(xié)作機(jī)器人、機(jī)器人和機(jī)器協(xié)同工作，以出色的效率執(zhí)行材料搬運(yùn)等任務(wù)。與材料搬運(yùn)一樣，將協(xié)作機(jī)器人從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方并非高難度的活動(dòng)，因此適合 AMR 來(lái)進(jìn)行操作。要將 AMR 從一個(gè)地方導(dǎo)航到另一個(gè)地方，需要結(jié)合機(jī)載傳感器和計(jì)算來(lái)了解周圍環(huán)境，并通過(guò)無(wú)線連接到集中計(jì)算資源和整個(gè)設(shè)施的復(fù)雜傳感器網(wǎng)絡(luò)，幫助 AMR 了解計(jì)劃路線上的障礙物位置，并有效地繞過(guò)固定障礙物，如工作站、機(jī)架和機(jī)器人，以及可變障礙物，如叉車、其他 AMR 和人。
圖 5：機(jī)械臂協(xié)作機(jī)器人（上方）可以被自主移動(dòng)機(jī)器人（下方）拿起并移動(dòng)到新的工作站。（圖片來(lái)源：Omron）
協(xié)作機(jī)器人有什么用？
協(xié)作機(jī)器人與 AMR、人、其他機(jī)器人和機(jī)器合作的能力為自動(dòng)化帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)。協(xié)作機(jī)器人在大規(guī)模定制中用途廣泛，如裝配作業(yè)、點(diǎn)膠、擰螺絲、機(jī)器上下料、碼垛、拾放等，從汽車到食品加工和半導(dǎo)體制造等各行業(yè)中都有使用（圖 6）。
圖 6：協(xié)作機(jī)器人操作靈活，可用于各種應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Omron）
重復(fù)性或復(fù)雜的裝配任務(wù)可以由協(xié)作機(jī)器人和人一起高效完成。與 AMR 配對(duì)時(shí)，協(xié)作機(jī)器人可以改善復(fù)雜的分揀操作的實(shí)施，并將材料運(yùn)送到工作地點(diǎn)。材料被運(yùn)送到生產(chǎn)線端后，協(xié)作機(jī)器人就可以快速地將產(chǎn)品放上貨盤以便運(yùn)輸。利用機(jī)器視覺(jué)和 AI，協(xié)作機(jī)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(xié)作機(jī)器人可以迅速調(diào)整其行為，以適應(yīng)新產(chǎn)品和季節(jié)性變化。
協(xié)作機(jī)器人可以適應(yīng)各種制造流程，包括（如前所述）機(jī)器上下料、擰螺絲和點(diǎn)膠。CNC 機(jī)床、沖壓機(jī)和沖床、各種切割機(jī)和注塑成型站都是機(jī)器上下料任務(wù)，協(xié)作機(jī)器人可以將人們從重復(fù)性和潛在的危險(xiǎn)活動(dòng)中解放出來(lái)。擰螺絲協(xié)作機(jī)器人增加了精度和穩(wěn)定的扭矩，比人工裝配的質(zhì)量更高。點(diǎn)膠各種材料，如膠水、密封劑、涂料和其他飾面，都可以由協(xié)作機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且精度很高。協(xié)作機(jī)器人末端執(zhí)行器可以互換，因此能根據(jù)需要從一個(gè)任務(wù)切換到另一個(gè)任務(wù)（圖 7）。
圖 7：協(xié)作機(jī)器人末端執(zhí)行器能在任務(wù)間輕松切換。這種靈活性可以最小的停機(jī)時(shí)間切換到不同的生產(chǎn)要求。頂部?jī)蓚€(gè)末端執(zhí)行器帶有用于 AI 視覺(jué)系統(tǒng)的高分辨率攝像頭。（圖片來(lái)源：Omron）
檢查成品零件或產(chǎn)品是帶有機(jī)器視覺(jué)的協(xié)作機(jī)器人可發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的另一個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于復(fù)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(xié)調(diào)多個(gè)固定的攝像頭。或者，帶有單個(gè)攝像頭的協(xié)作機(jī)器人可以識(shí)別正在檢查的零件，并相應(yīng)地繞零件移動(dòng)，為完整的視覺(jué)檢查捕獲所有需要的圖像。
不斷發(fā)展的協(xié)作機(jī)器人安全性
安全方面的考慮也隨著協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展而變化。與工業(yè)機(jī)器人相比，協(xié)作機(jī)器人的安全要求更加復(fù)雜。由協(xié)作機(jī)器人和人組成的團(tuán)隊(duì)可以將機(jī)器人的重復(fù)執(zhí)行能力與人的個(gè)人技能和靈活性相結(jié)合。協(xié)作機(jī)器人（和機(jī)器人）精通于需要精度、耐久性和力量的任務(wù)，而人則精通于解決不確切的情況和可變的問(wèn)題。這些互補(bǔ)的技能組合相結(jié)合，為人與協(xié)作機(jī)器人的安全交互帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
工業(yè)機(jī)器人的安全標(biāo)準(zhǔn)通常是基于在機(jī)器人活動(dòng)時(shí)將操作員排除在工作空間之外的情況。協(xié)作機(jī)器人的安全性則涉及與人的交互。協(xié)作機(jī)器人的速度、扭矩和力度限制是決定性的安全標(biāo)準(zhǔn)，包括緊急停機(jī)與保護(hù)性停機(jī)。
協(xié)作機(jī)器人的緊急停機(jī)由操作員發(fā)起，這將停止所有的協(xié)作機(jī)器人動(dòng)作，并切斷協(xié)作機(jī)器人電源。而后需要重啟才能從緊急停機(jī)中恢復(fù)。當(dāng)人進(jìn)入?yún)f(xié)作機(jī)器人周圍的保護(hù)空間時(shí)，會(huì)自動(dòng)引起保護(hù)性停機(jī)（圖 8）。保護(hù)性停機(jī)期間，協(xié)作機(jī)器人仍處于通電狀態(tài)。此外，保護(hù)性停機(jī)期間，系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測(cè)協(xié)作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)編碼器是否出現(xiàn)非預(yù)期動(dòng)作。如果檢測(cè)到非預(yù)期動(dòng)作，就會(huì)斷電。
圖 8：協(xié)作機(jī)器人周圍的笛卡爾安全空間（藍(lán)框）可以是矩形或圓柱形，定義了一個(gè)禁區(qū)。如果協(xié)作機(jī)器人旁邊工作的人進(jìn)入禁區(qū)，協(xié)作機(jī)器人會(huì)啟動(dòng)保護(hù)性停機(jī)。（圖片來(lái)源：Omron）
一些協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)有兩種工作速度設(shè)置，一種用于最高性能，一種用于最大安全性。在性能設(shè)置中，假定沒(méi)有人進(jìn)入?yún)f(xié)作機(jī)器人的保護(hù)空間，協(xié)作機(jī)器人將以高速工作以獲得最大生產(chǎn)力。如果有人進(jìn)入保護(hù)空間，協(xié)作機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入人機(jī)設(shè)置，減小速度、扭矩和力度，實(shí)現(xiàn)最大安全性。
關(guān)于協(xié)作機(jī)器人安全性，有幾個(gè)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則。ISO 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 15066:2016 和 RIA 技術(shù)報(bào)告 15.606-2016 都描述了用于減少人類操作員風(fēng)險(xiǎn)的四種協(xié)作技術(shù)：安全級(jí)監(jiān)控停止、手動(dòng)引導(dǎo)、速度和分離監(jiān)測(cè)，以及功率和力限制 (PFL) 系統(tǒng)。TS 15066 是規(guī)范性的，詳細(xì)說(shuō)明了符合標(biāo)準(zhǔn)所需的步驟。TS 15.606 是信息性的，提供了可用于符合標(biāo)準(zhǔn)的信息和方法。
RIA TR R15.806-2018 描述了一種測(cè)試 PFL 系統(tǒng)所施加力的方法。其中需要傳感器系統(tǒng)，以符合與速度和分離監(jiān)測(cè)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于 PFL 系統(tǒng)和安全級(jí)監(jiān)控停止，需要設(shè)定禁區(qū)安全防護(hù)。
ISO 13855:2010 確定了與協(xié)作機(jī)器人靠近人體特定部位的速度有關(guān)的安全防護(hù)定位。它提供了一種方法來(lái)確定從檢測(cè)/禁區(qū)到危險(xiǎn)區(qū)（或啟動(dòng)安全防護(hù)裝置）的最小距離。
總結(jié)
協(xié)作是工業(yè) 4.0 和信息物理系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)志，而協(xié)作機(jī)器人是推動(dòng)更高水平協(xié)作的關(guān)鍵參與方。協(xié)作機(jī)器人不斷發(fā)展，使用更容易、更安全、更靈活。協(xié)作機(jī)器人教導(dǎo)工具和 AI 的發(fā)展使得協(xié)作機(jī)器人的使用更直觀。不斷發(fā)展的協(xié)作機(jī)器人人機(jī)界面 (HMI) 提高了大規(guī)模定制生產(chǎn)的生產(chǎn)力和質(zhì)量。協(xié)作機(jī)器人并沒(méi)有取代機(jī)器人；協(xié)作機(jī)器人正在擴(kuò)大自動(dòng)化的機(jī)會(huì)，而機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和人之間的界限不斷在變化。協(xié)作機(jī)器人越來(lái)越像同事，而越來(lái)越不像工業(yè)機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人的安全標(biāo)準(zhǔn)正在擴(kuò)大，并變得越來(lái)越重要，以確保協(xié)作機(jī)器人與人協(xié)作的生產(chǎn)力前景能夠安全實(shí)現(xiàn)。
