“機器換人” 還是 “人機協作” ？

寂靜天花板

雖然工作人員死于機器事故的案例并不鮮見，但這起事件觸動了人們敏感的神經：難道科幻電影中的故事真的會成為現實？
很難想像，人類世界會像電影中那樣，真正面臨機器逆襲人的時代。而就在前不久，東莞長盈精密開建首個“無人工廠”；上海海立集團設立的機器人“第二人力資源部”， 計劃到今年末投入使用356 臺機器人，減少用工1,000 余人。一系列新聞引發了制造業對“機器換人”的空前關注。
中國制造業“機器換人”的高峰正值當下，但這實際上意味著，機器與人已經從單純的“替換”和“被替換” 升華至更高層級的協作，同時人在機器“伙伴”的協助下， 將創造出更加智能和諧、合理高效的生產制造流程，為實現智能制造、個性化制造提供有力的支持；人與機器將以前所未有的方式來并肩工作。
" N) I1 C/ ~( d+ E/ k1 h協作型人機器人的前世今生
一直以來，國際機器人市場都是一些由工程師為對應制造業設計的重型、昂貴且笨拙的機器人，但在實踐應用中，并非所有的工業流程環節都需要大型機器人來提取較重的負載，取而代之的是輕便、敏捷的機械臂越來越多地承擔了組裝和提取工作。更加靈活的機械臂于是成為一種承擔每天工作的可行性方案，小型的，低噪音的，低功耗的機器人是應對工業企業自動化和合理化需求最簡單、最合理的解決方案。順應市場需求，“協作機器人”悄然誕生，這種新型機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行隔離，并有望填補全手動裝配生產線與全自動生產線之間的差距。迄今為止，部分企業尤其是中小企業依然認為機器人自動化過于昂貴和復雜，因而從不去考慮應用的可能性。然而，輕便靈活的“協作型” 機器人成為了中小企業的福音。

圖1 協作機器人Baxter 與工人一同在流水線作業
( h2 G7 V+ c; U協作型機器人的定義和行業應用情況
協作型機器人又名人機協同作業機器人，它的發明旨在引導或輔助人類實現特定作業任務，從而降低人類勞動負擔。需要指出的是，假設人類與協同機器人在一同工作， 如人類在工作過程中出現偏差或誤操作，機器人將具備感知這一行為并及時糾正的能力。同時，協作機器人可以實時感知甚至預測作業過程中與人體的接觸并能迅速規避以避免傷害。
/ f" @) @" J/ W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器人在技術上并不現實。如果機器人和人類沒有緊密互動，則二者的生產潛力都無法發揮出來。協作機器人的出現把人類的靈活性、適應性和解決問題的能力與機器人的力量、耐久性和動作的準確性結合起來，這將能顯著改善當今生產裝配的困境。

圖2 寶馬美國工廠中工人和協作機器人一同作業
3 c5 h8 L, ~# c2 \早在2012 年12 月，德國著名汽車生產廠商寶馬公司率先在其美國卡羅萊納州斯帕坦堡市的汽車工廠采用協作機器人。它們將與人類員工共同完成對汽車車門的絕緣和防水處理工序。人類員工負責向車門噴灑膠水，與此同時，協作機器人靈活調整車門開合，讓膠水噴灑到車門的正確位置。如果這道工序沒有機器人的參與，人類員工要花費一到兩小時來移動笨重的車門，倘若一味強行提高工作效率，工人的身體健康會受到極大損害。鑒于協作機器人在寶馬公司的5 家工廠表現良好，寶馬公司打算為協作機器人增加更多的工作種類，這意味著寶馬公司會把當前常規機器人的各項技術移植到協作機器人身上。
7 I# ^8 w# y1 p  S6 M; w3 Z協作型機器人國產化率較低，甚至至今還未引起國內企業的足夠重視。國務院總理李克強在今年的政府工作報告中提出，要實施“中國制造2025”，堅持創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展，加快從制造大國轉向制造強國的步伐。在堅持“以人為本”的思想發展機器人產業的進程中，協作機器人將占據極其重要的戰略地位。
協作型機器人的主要產品和行業規范
9 t. I8 C9 k0 r, |, G協同作業機器人領域競爭者頗多——從iRobot 公司的Baxter 類人多用途機器人到安川Motoman 高速高精度機器人，再到性能指標位于兩者之間的丹麥Universal Robots 六軸機器手優傲UR10。各路英豪似乎即將上演精彩紛呈的諸神之戰。
◆ 丹麥Universal Robots 的優傲（UR）系列機器人
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圖3 UR10 機器人
其中尺寸最大的UR10 機器人可處理高達10kg 的負載自動化作業， 延伸半徑達1300mm。其特點在于其基于平板電腦、簡潔易用的用戶界面和示教系統，以及機器人本體安裝的便捷性。
◆ 瑞士ABB 公司的YuMi
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圖4 ABB YuMi 機器人
9 z/ ?; X. h, M# kABB 的YuMi 是一個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，使其可以在開放環境中工作。YuMi 體系較小，涉及寬度為600mm，適合于生產線緊湊的空間，并且有基于攝像頭的工件定位系統。
4 f( y4 p& C/ u◆ 瑞士Mabi 的Speedy 機器人
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圖5 Mabi 的Speedy 機器人
, `& d; r, V7 m  Q9 XSpeedy 協作機器人是一款輕型的6 軸工業機器人，其負載約為10kg，工作范圍達1384mm，其操作臂末端配有氣動卡爪。鑒于其低成本的特性，有望進一步降低協作機器人的門檻。
6 `, s" r' s/ C9 y+ Y9 l◆ 美國Rethink 公司的Baxter

圖6 Baxter 協作型機器人
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執行程度而變化。Baxter 擁有一套復雜的安全機制和多種傳感器，可以保護它所協助的人的安全。
Baxter 的頭頂有一圈聲納傳感器， 只要有人過于接近工作區域，傳感器就會放慢動作。Baxter 現在已經廣泛應用于工廠，科研和教學場合。Baxter 底部配有滾輪和基架，可以安裝在流水線任意地點。
◆ 德國KUKA 的LBR iiwa 機器人

圖7 KUKA 的LBR iiwa 機器人協作型機器人
5 B3 _$ o: P$ V. R" I) ~LBR iiwa 是一款單臂7 自由度機器人操作臂，它是為實現直接的人機協作而設計，集靈敏性、柔性、和輕型驅動技術于一體，適用于工業領域。最大缺點在于價格較為昂貴，是優傲機器人的3 倍之多。
! m, J  Z% N: i7 j( S另一方面，協作型機器人的有序發展離不開行業規范和安全標準的約束。2013 年5 月，美國機器人工業協會（RIA）宣布最新的機器人安全標準已經通過美國國家標準學會（ANSI）的認可。新ANSI/RIA R15.06-2012 版本標準是1999 版本標準的升級版，等同于國際ISO10218:2011 機器人安全標準。其中一項對國際等同標準的重要升級覆蓋了人員和機器人的協同工作情況。此標準為協同機器人作業提出了四項要求，確保人員可以靠近一臺正在運行的無安全護網的機器人。處于協同工作模式下的機器人必須滿足標準提出的四項要求之一：
1 a: W0 I, ^( s9 l, g; p7 ]◆具有安全等級的受控制動；
6 B  F9 e; B, V) M' M; ]7 j◆手控；
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. u! L7 i' Z( C/ k◆速度和間距監控；
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◆限制功率和力。
$ a7 c. p% v! u" ?& l6 Q國際委員會起草了ISO 技術規范（TS）15066，作為在協同工作模式下使用此標準的指導。具體內容仍在進行技術開發，開發完成之后需要征得業界的認可才能作為ISO10218 安全標準的補充。目前，標準中僅僅提到需要對功率和力進行限制，但是并未明確指出應該將功率和力限制在什么水平。
6 q/ T- L$ u. F/ X6 I, {5 j協作機器人新技術探索
' h' u2 d' u  ]) Q" D+ y1 B7 k" ^毫無疑問，從安全防護網走出來的協作機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后，等待它們的是更加多樣化的工作任務和工作環境。當今制造業以分布式作業模式為特征，其生產任務和環境的多樣化是無法避免且又亟待解決的。倘若協作機器人能夠填補此項技術空白，這將會成為工業領域一項劃時代意義的突破。它會降低生產成本，提高生產效率，甚至重新定義自動化制造這一概念。
機器人軟件技術的不斷深化與進步給協作型機器人的發展提供了肥沃的土壤，大大增強了協作型機器人的“軟實力”。更為便捷的軟件技術使得安裝維護成本驟減，同時機器人參數更改和調試周期從過去的數年數月縮減到數天。較為主要的軟件技術包括有：
) ~& ^0 b7 k6 P* X1. 柔順運動控制技術。對于焊接、搬運和噴涂類工作， 機器人位置控制足以滿足任務需求。然而對于切削、打磨拋光，尤其是裝配等作業中，柔順運動控制是必不可少的。這是因為焊接噴涂等對于位置精度的要求非常高，需要在運動方向上表現出很硬的特性，也就是很大的剛性；而打磨裝配中需要在運動方向上實現力控制，因此需要有較軟的特性， 也就是較小的剛性。
以裝配作業為例，如果機器人運動模式與人類近似，則機器人能感知與工件的相互作用，順利地引導工件的運動方向甚至能自動將工件安裝在夾具上。
/ x6 }3 ~% _/ C& N# h2. 高級人工智能。人工智能（Artificial Intelligence）是對人的意識、思維的信息過程的模擬，將此模擬結果賦予機器人，則機器人就可以像人類一樣具有自我意識。高級人工智能是一門研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的技術科學，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。
# C1 B( j; l( C6 v  T; X2 E若協作型機器人被成功賦予高級人工智能，機器人將獲得與真人一般的“常識”，從而能人機協同作業更易被整合。另一方面減少了用戶參與決斷的機率，使得機器人變得更“聰明”。
3. 傳感器集成化和機器視覺。機器人傳感器是用來檢測機器人自身的工作狀態，以及機器人智能探測外部工作環境和對象狀態的核心部件。機器人傳感器能感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號，反饋到中央處理系統或末端執行器上。而為了實現在復雜、動態以及不確定性環境下的行動自主性，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，形成機器人的感知系統。傳感器集成化將促使機器人對未建模或半建模狀態的外界環境變化做出實時、準確、靈活的行為響應， 協作機器人也將能夠更快地適應不同要求的作業場合。
4. 可擴展軟件架構。軟件架構的可擴展性決定了機器人能在多大程度上整合更多功能模塊而不超出系統可承受范圍。目前研究熱點之一的可重構機器人（Reconfigurable Robot）就是基于可擴展的軟硬件平臺發展而來的。未來機器人市場將會向以功能模塊為單位，并且針對各個不同的作業要求個性化定制的方向發展。
總結和展望
: i. O% p1 u2 n4 O/ Q隨著工業4.0 時代的來臨，全世界的制造企業也即將面對各種新的挑戰。有些挑戰已經通過日益成熟的自動化及自動化解決方案中機器人的使用得到了應對。在過去的生產線和組裝線等工作流程中，人和機器人是隔離的，這一格局將有所改變。協作型機器人將會變得越來越重要。雖然有些領域和生產線還是需要人力操作，但有些仍可以使用機器人實現局部自動化，以優化生產線。引進協作型機器人會為生產線和組裝線應對挑戰開拓新的機遇，找到更好的解決方案， 把人和機器人各自的優勢發揮到極致。
“智能工廠”、“無人工廠”在工業4.0 時代成為大熱之詞，并被認為是自動化的最高境界。那么，這是否意味著未來人將被機器所取代呢？其實不然，我們應該這樣理解： 未來的工廠將是人與機器和諧共處的所締造的。協作型機器人作為一種新型的機器人，它將小件裝配等自動化應用帶入了一個全新時代，工人與機器人可以和諧共處，共同完成一個任務。
/ F9 d6 P" B6 a( {( R: u在我國逐漸步入老齡化、少子化的現實面前，發展協作型機器人是促進社會生產力質的提升的行之有效的手段。當前我們產學研三方共同努力的目標，就是實現人類勞動力和機器人勞動力的歷史性“握手”，讓人類與機器人真正意義上共同工作，提高生產力從而滿足居民日益增長的物質需求。
" R( W3 G9 E0 ?( ~4 W4 V  g9 U當今協作型機器人發展的浪潮中，協作機器人的深度研發和普及需要廣大科研單位和制造企業共同推動。希望在不久的將來，協作機器人能在國務院提出的“中國制造2025”的大格局下茁壯成長。
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6 u5 j& A" o. f2 j8 ]# d0 N5 {' i3 I

龍游大海

協作型機器人

赤發鬼李逵

應該還是人機協同吧，機器人代替人那么要人干神馬？

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人機協同是趨勢