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机器人同事来了，人机协作将开启生产效率新时代
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。
缩短距离
在讲述封闭式单元层面的时候，就已经提到现有传统工业机器人是在高高的安全护栏网之内进行生产，而人机协作的第一个优势就是去除了那些高高的安全互联网，将人和智能机器人融为一个整体，从而减少了人和机器人之间的距离。这也是意味着，整个工位的面积会大大减少，物料的上料下料以及物料在工位里面的流动会变得更加简单和容易，并且有效地减少了员工走动，搬运的辅助时间。
优化人体工程学
人机协作的第二个优点是，是充分结合了人和机器的优势，彼此取长补短，优化了整个工位的人体工程学。因为机器的优势在于它持久性长，精确度高，有极其稳定的力量、位置和速度的调控能力，人的优势是极其敏感，认知能力强，积累了丰富经验，通过吸取教训提升自身能力，并且能够对于突发的情况进行控制和下决策。在装配高精度的重型零部件时，人工协作便凸显出其将人和机器的的优点结合在一起的优势。
破除地域限制
人机协作的第三个优点在于破除了安全护栏网的同时，人机协作使智能机器人可以不受固定的地理位置限制，而随着实际的需求，在不同的地方进行工作，使可转变的柔性生产成为可能。传统的非柔性生产是指生产设备按照预计最优化的节拍进行设计和实现，而在生产需求变动的情况下通过工人数量和工作内容的变化来做相应的调整，但生产设备却没有达到最优化的使用率。人机协作消除了安全保护网在实际生产当中的里程碑式的作用，使机器、设备和物流的参数变更变得更为容易，并且消除了自动化生产区域和人工生产区域的鸿沟，使生产设备的有效使用率达到最高。
破除地域限制，参与可转变的柔性生产这个优点可以在下面的图表中显现出来。以柔性设计安装汽车车门为例，当生产节拍需求超过107秒的时候，一个工人就可以独立完成车门的安装；当节拍需求介于74秒到107秒的时候，一个工人和一个智能机器人可以协同去安装车门； 当节拍需求介于55秒到74秒的时候，有两个工人一起装配练车； 当节拍需求介于37秒到55秒的时候，两个工人和一个智能机器人就可以在两个不同的工位上进行协同装配； 当节拍需求介于28秒到37秒的时候，就可以同时有四个工人在两个不同的工位上面进行装配。智能机器人按照实际需求参与装配工作，使其有效使用率达到最大。
提升直观能力
人机协作的第四个优点在于，智能机器人的直观能力提高，使编程的效率提高，也简化了编程的步骤，降低了编程的门槛，使没有专业编程背景的操作员可以轻松操作智能机器人。操作员可以手把手教机器人，让它按照所要求的步骤和位置进行模拟，机器人则通过自身智能程序计算出最优路线，然后可以按照操作员工所教导的进行实际操作。
降低成本
人机协作的第五个优点是可以减少安全防护措施、传感器及其编程的成本，因为之前也提到，安全防护措施及传感器的成本几乎占整个系统的20%到25%，将安全防护措施、传感器及其编程的功能集成在智能机器人内部，并且通过引入人来参与生产系统，利用人的优势来减少整个系统对于传感器的依赖，系统集成的总成本便会相应减少。
通过人机协作的参与，整个生产过程也因此保持可持续发展，生产效率也同时得到持续性提高，使高成本生产国家有机会和能力保住现有的工作岗位，提升自身的全球竞争力，甚至使从低成本生产国家手中重新获得新的工作岗位成为可能。
人机协作的挑战
每一块闪亮的金牌背后都充满了荆棘，困难和挑战，人机协作也不例外。如何根据实际装配产品的大小、重量、精度和节拍要求，智能设计传感器和机器人以及系统集成，在保证安全的前提下避免机器人停机，减少减缓速度的时间空间，成为了提升人机协作的使用率，深化人机协作率的重要前提和最大挑战。
由于人机协作以及机器人应用隶属于机器设备，所在在介绍关于人机协作的安全要求前需要先介绍机器设备的安全要求，即DIN EN ISO 13849 以及DIN EN 62061。两个标准的侧重点不一样，DIN EN 62061 以SIL(安全集成等级)来作为评估级别，它主要从电器、电气以及可编程的控制系统这三方面来评估整个系统的安全等级，而DIN EN ISO 13849则以PL(执行等级) 来作为评估级别，着重于设备，从液压部件、压缩气体部件和机械部件，按功能安全要求去进行评估。下图是两种评估标准的案例。对应每个评估等级都有其相应的安全要求。
在DIN EN ISO 13849 以及DIN EN 62061的基础上，EN ISO 10218-1/-2 以及ISO/TS 15066：2016版本都有关于机器人安全需求的详细记载，前者是规定工业机器人的安全标准，后者是规定人机协作的安全标准，以及对于人机协作系统及应用的风险评估。安全需求分为四种案例，第一种案例是， 当人进入到具有安全防护栏的封闭或者开放式工作系统之时，机器人就立刻停下； 第二种案例是，在人引导机器人进行运动的情况下，当安全按钮被按住，机器人以缓慢的速度开始运动，反之则机器人保持静止； 第三种案例是对于人或物体位移速度和与机器人距离的监控，当规定的安全距离被打破的时候，机器人会停止； 第四种案例是在人与机器人有接触的情况下，对机器人功率以及力量的限制，使接触产生的影响力小于限定值。在ISO/TS 15066：2016中通过以下这些标志来对各种危害源进行归类和提醒。
鉴于人机协作工作系统涉及到人身安全，所以在规划执行人机协作项目当中，除了要按照之前提及的标准定义项目的安全等级外，还要根据EN ISO 12100对项目进行风险评估，风险分析以及采取措施降低风险。具体的流程安排如下，首先是对整个工作系统的界定，哪些包含在系统内，哪些不属于，在定义系统的范围之后，就需要来识别系统中有哪些危险源，然后对于会产生的风险来进行相应推测 (此三部被称为风险分析)。针对推测出来的风险进行风险评估，并判断这个风险是否能够成功规避 (至此被称为风险评估)。 如果风险可以被规避到可以接受，那就需要去做文档记录并结束对此项的评估。 如果这个风险不能够被规避，则需要通过变更系统设计，添加额外的安全保护措施或者更新操作指导书并提醒操作员工相关注意事项。在决定采取这些措施之前，仍然要判断是否会因此产生新的危险源并经行新一轮的分析和评估，直至风险能够被规避并可以接受为止。
作为人机协作非常重要的一部分，抓斗连接于智能机器人手臂上，与工具/加工部件和人有直接接触。我们从刚刚提到的安全标准来看对抓斗的三种不同的安全要求。基于EN ISO 12100，从普遍性设备的风险评估出发，对抓斗的要求是要紧紧抓住工具/加工部件，不能够使部件脱离， 也就是意味着当抓斗失去能源来源或者是处于紧急停止状况，它仍然能够通过自身来紧紧抓住部件； 根据DIN EN ISO 13849，作为控制系统的一个组成部件，抓斗需要确保安全的运行，即可以随时感应到外界的接触，同时有自身的防护措施； 基于EN ISO 10218-1/-2 以及ISO/TS 15066：2016，通过设置不会导致伤害的抓力以及添加相应的传感器，进行实时监控，当抓斗判断出与人有直接接触而不是工具/加工部件时，马上调整抓力，确保抓斗不会伤害到人。
除了要达到安全要求，人机协作是不是能够有很高的投资回报率也是人机协作继续发展的前提条件和巨大挑战。整个系统的成本由两部分组成，首先是硬件方面的成本，包括智能机器人、抓斗、控制系统、安全系统，其次是集成和认证方面的成本，包括集成商编程以及项目管理成本，以及第三方机构的风险评估、认证费用。 与纯人工工作系统相比，人机协作必须在速度、柔性、质量三方面展现其巨大优势，才能较之其系统成本确保较高的投资回报率。
当然，如何让生产中的员工可以接受人机协作，让整个工作系统按照起初的设计理念进行人机无缝运作，也作为另外一个不可忽视的挑战。
人机协作的实践路径
在深入了解何为人机协作，其优势和挑战之后，如何实施人机协作便成为下一个需要讨论的问题。根据过去实施的人机协作案例进行归纳总结，分析制定方案-可行性研究-实现是一条值得遵循的实践路径。
分析： 根据实际装配产品的大小、重量、精度、数量、品种和节拍要求进行分析，哪些工作系统适合标准自动化，哪些适合纯手工加工装配，哪些工作可以交付智能机器人完成，如何让机器人与人协同工作，从而可以从中受益。作为成果，适用于人机协作的工作系统得以确认。
制定方案： 根据被确认的工作系统，建立不同的人机分工方案、模拟流程，并根据系统要求评估各个方案，从人力成本、系统成本、占地、物流、信息流、技术风险和难点、安全需求等方面综合比对，最后得出最优化的方案。
可行性研究： 通过实际测试或模拟，针对流程和安全风险和难点进行可行性研究，从而确保方案的可行性和安全性。
实现： 按照方案和可行性研究的结果进行实施，完成项目。
总结与展望
从安全的角度来说，现有的工业机器人处在安全防护栏之后进行工作，并非已被时代所淘汰，因为它的优势在于，非常低的设计成本，相对简单的风险分析，以及拥有非常稳定的高生产率。随着人机协作的层面不断进深，相对的风险评估也会愈加繁复，为减少风险所采取的设计措施也会增加。但随着工业4.0时代的到来，智能产品对于生产系统的要求迫使新一代的工作系统必须适用柔性生产，人机协作必然在此领域大展宏图。
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