机器人同事来了，人机协作将开启生产效率新时代

    新一代的机器人正在征服整个工业。他们不再躲在高高的防护网之内，晃动着焊钳，进行焊接工作，而是从一开始的规划和设计中就被定义了新功能—与人类协同合作。新一代的机器人对比现在的工业机器人更具人身安全性，在此基础上，他们的设计更为轻便，可以感触到人类的活动并及时适应自己所处的环境变化。这样的话，员工总是处于最安全的位置，避免受到由机器人所引起的伤害。人机协作是当今机器人领域发展中最为盛行的一个发展趋势，因此也成为了2017年度机器人大会的主要课题。

 

    从理论到实践：人机协作是不是已经运用到了实践过程当中？既然安全和生产效率的话题在人机协作运用中起着决定性的作用， 如何判断新一代的机器人到底是不是安全？是不是当一个机器人在接触到人类的时候马上停止就足够安全了，还是安全度相对于每一个实际应用有不同的定义？一个生产效率高的机器人，是不是可以同时兼备极高的安全性能？抑或生产效率和安全永远是鱼和熊掌不可兼得？

 

    本文将从人机协作的现状分析，应用实例，优势与挑战，前景展望的角度全方位解读当今工业4.0/智能制造的关键技术领域——人机协作。

 

    工业机器人的现状解析以及发展趋势展望
 

 

    从应用领域来看，2016年的数据显示，全球的工业机器人安装案例，50%应用于装卸、移动和堆垛；25%应用于焊接工序；10%的应用在装配工位；4%应用于喷漆以及表面处理； 而只有2%是应用于机加工。数据体现出：当前的工业机器人主要应用在技术智能化程度低，高重复度的简单工序中，而在精密加工中的应用还处在初级阶段，开发潜能巨大。
 

 

    从应用程度来看：自2001年起至2015年，全球工业机器人的应用从01年的75000案例到2015年的253000案例，15年间翻了三番。据专家推测至2019年全球的工业机器人安装案例将飙升至414000。

 

    从各个国家的分布来看，从2011年开始中国成为全球最多安装案例国家，在2019年中国将远远超过德国、日本、欧洲和北美，占据全球36%的安装案例。但就机器人使用密度(每一个工业机器人在1万员工的使用比率)而言，与日本、德国、北美和韩国等机器人集中应用于高自动化汽车行业的密度相比，中国汽车行业的机器人使用密度却还远远低于以上几个国家。在“中国制造2025“的规划中，从2016年到2020年将有65万新的工业机器人被安装使用。

 

    工业机器人作为未来的重要生产工具，目前有六大技术发展趋势。首当其冲是人机协作，这个我们之后会继续详细介绍；接下来是机器人与CAD/CAM数据互相连通，随着大数据和云计算技术的成熟以及PLM、ERP、MES、CRM纵横数据的贯通，CAD/CAM数据直接和工业机器人进行连接，减少生产准备时间，提高数据传输质量和生产效率； 第三个趋势是提高投资回报率，随着机器人产能扩张，应用数量大幅增加，所有机器人以及总体设备的成本降低，对应于全球人工的成本增加，机器人应用的投资回报率将明显提升； 第四个趋势是智能传感器的应用，为了提升新一代人机协作机器人的生产效率，同时保障安全性能，智能传感器的技术将为未来优化人机协作铺平道路； 第五个趋势是机器人的感官认知能力的增强，随着工作环境的计划变化或突发变化，机器人必须要运用自身的感官认知能力去及时应对改变的环境； 第六种趋势是简化机器人编程，可以有人来教机器人去学习各种各样的技能和操作顺序，然后机器人来选择最优路径，并考虑与其他部件的干涉性来进行重复性的工作，以减少编程的复杂性和难度。

 

 

    提高投资回报率，降低成本，是以上提到的工业机器人的第三个技术趋势。我们可以通过以上的图表可以看到，自1990年开始到2014年，工业机器人的成本在美国和德国平均成本至少降低了50%，在2014年，一个美国工业机器人的平均成本为44000美元，与此同时，随着科技的发展，机器人的很多性能得到进一步提高，具体体现在精确性、速度、负载、编程、控制、诊断、传感器方面。

 

    除了机器人本身的成本，还有整个系统的集成成本影响着机器人项目的投资回报率。机器人的成本与整个系统的成本比例，以点焊机器人系统为例，约为1：4到1：5。在2014年，小型点焊机器人以33000美元为基点，所有的安全防护措施及传感器的成本为45000美元，系统的编程安装以及集成为46000美元，项目管理为9000美元。随着工业机器人广泛运用，硬件，编程以及集成成本在未来的五年及十年内会大幅度下降，到2025年，机器人的成本会缩减到28000美元，安全防护措施会减少到36200美元，编程以及安装费用会减少到33200美元，项目管理费用会减少到7000美元。

 

    人机协作及其应用前提
 

 

    到底人机协作是什么？ 人机协作分哪几个层次？ 人机协作和现有的工业机器人的全自动生产方式有什么区别？现在我开始给大家一一道来。首先第一层面，被称为封闭式单元层面，即传统的工业机器人处于高高的安全护栏网之内，进行全自动生产，它与人没有任何的接触，当人打开安全门要进入机器人工作区域的时候，机器人马上停止工作，人的作用只是操作，监控以及排除故障，不参与直接生产，是一种隔离式的工作方式。第二个层面便开始了人机协作的初始层面，与传统工业机器人不同的是，人机协作处于一个开放式的工作环境，人与机器有间接或直接的接触，共同参与生产。第二个层面被称之为共存层面，意思指的是，虽然有开放的工作环境，机器人与人都参与生产，但两者有自己独立的工作范围，两者不生产同一件产品，两者互不干涉，互不交集，中间或有光栅，或有传感器，摄像头来判断人与机器操作空间的距离，当人与机器人进行产品交接时，机器人暂缓或者停止运动，确保人身安全。此层面对于机器人无需太高安全要求，借助系统集成的安全方案可以使系统安全运作，但为此付出的代价是牺牲机器人的生产效益，因为工人在接近机器人的过程中出于安全原因被迫减缓速度或者停止运动。第三个层面称之为同步层面，意思是指，除了自己的生产区域工作以外，人和机器人还拥有一个有共同交集的生产区域，两者一起同步参与生产产品，但在交集区域，只有人或者机器人在同一时间内进行操作，按照工作内容的分工分别进行生产。当人在交集区域操作的时候，机器人在属于自己的工作范围内进行操作，不可以进入该区域，当人离开此区域后，机器人可以在此区域进行生产，与此同时人可以在自己的区域里面生产。当人在此时进入交集区域时，机器人处于安全考虑减缓速度或者停止运动。第四层面被称之为合作层面，它克服了第三层面有交集区域但不能同时工作的缺陷，可以使人和机器人在同一个交集区域同时工作，机器人不会停止运动，因为人和机器人不同时在同一个部位生产，彼此合作却不互相影响。第五层面，即是最高的层面，也是真正意义上的协作层面，代表着人和机器人在同一个区间，同时，在同一个产品协作生产。

 

    目前90%的实际应用集中在第一至第三层面，分水岭在于人和机器人是不是在同一交集区域工作。

 

    人机协作的应用前提，完全取决于生产产品的数量和产品品种的多少。一方面，当产品的数量对于全自动生产的方式而言太少，但对于人工生产方式而言过多，另一方面，当产品的品种种类对于全自动的生产方式而言太繁多，但对于人工生产方式而言又太单一，当这两个条件同时符合的时候就是人机协作的大施拳脚之际。随着工业4.0深入发展，智能产品层出不穷，产品会朝个性化、多样化发展，取代原先批量生产、品种单一的特征。人机协作也是在这样的大前提下应运而生，成为除了全自动、半自动、人工生产方式以外的第四种生产方式。

 

    人机协作的优势

 

    前面到了人机协作的分层，那接下来就给大家介绍一下人机协作所具有的明显优势。