后起之秀協(xié)作機器人趕超前技術
協(xié) 作型機器人體現(xiàn)了機器人發(fā)展的最新趨勢，他更能適應業(yè)內對機器人柔性化和感知能力等方面提出的要求，而且把人類的靈活性、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，為生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)帶來模式創(chuàng)新，這讓中國機器人企業(yè)看到了“擺脫跟隨者角色”的機會，中國協(xié)作機器人迎來“彎道超 車”的機遇。
協(xié)作機器人市場前景
2014年，全球工業(yè)機器人制造“四大家族”之一的ABB推出了世界上首款協(xié)作機器人YuMi，開啟了工業(yè)機器人的一個新篇章。未來工業(yè)4.0時代，智慧工廠里的生產(chǎn)線柔性化程度更高，機器人需要與人協(xié)同共享一個工作空間，人機協(xié)作機器人有望成為機器人領域下一個增長點。
瑞士ABB 公司的YuMi
協(xié)作機器人，是一種可以在一定區(qū)域內安全的與人類進行直接交互的機器人。協(xié)作機器人的操作相對較為簡單，是工業(yè)機器人的一個分系，在價格上也比傳統(tǒng)工業(yè)機器人“親民”的多。
協(xié)作機器人的興起意味著傳統(tǒng)工業(yè)機器人必然有某些不足，或者無法適應新的市場需求。主要有三點：
一是傳統(tǒng)工業(yè)機器人部署成本高；
二是傳統(tǒng)工業(yè)機器人無法滿足中小企業(yè)需求；
三是無法滿足新興的協(xié)作市場需求。
和傳統(tǒng)工業(yè)機器人比較，協(xié)作機器人在體型上就跟它不在一個檔次。為了達到“協(xié)作”的目的，機器人與人類之間的工作距離就不能太遠，因而，協(xié)作機器人尺寸都是偏小的，甚至可以直接放置在工作臺。
除了與傳統(tǒng)工業(yè)機器人有近似的運轉速度和精確度以外，協(xié)作機器人還擁有一些傳統(tǒng)工業(yè)機器人所沒有的優(yōu)勢，例如輕巧、安全、價格低、靈活性高、友善的操作接口及人機協(xié)作等特色，不僅使大型企業(yè)的生產(chǎn)流程更上一層樓，也為原本卻步于自動化生產(chǎn)的中小型企業(yè)開啟新的契機。
ReThink RoboTIcs的Baxter是新一代協(xié)作工業(yè)機器人
不管是從市場，還是技術層面來講，協(xié)作機器人都有著不可取代的優(yōu)勢與市場前景，已然是未來市場上的一大趨勢。
據(jù)分析機構MarketsandMarkets研究報告，預計2016年至2022年期間，協(xié)作機器人有望年復合增長60%，從2015年的接近1.1億美元升值到2022年的超過33億美元。
協(xié)作機器人行業(yè)規(guī)范
協(xié) 作型機器人的有序發(fā)展離不開行業(yè)規(guī)范和安全標準的約束。2013 年5 月，美國機器人工業(yè)協(xié)會（RIA）宣布新的機器人安全標準已經(jīng)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(xié)同工作情況。
此標準為協(xié)同機器人作業(yè)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(wǎng)的機器人。處于協(xié)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：
安全級監(jiān)測站——這種操作模式要求機器人系統(tǒng)監(jiān)控工作區(qū)域，當有人進入?yún)f(xié)同工作區(qū)域時，停止一切動作。這種監(jiān)測可能涉及使用激光監(jiān)測是否有人跨越工作區(qū)邊緣，切換到監(jiān)測封閉空間是否打開了門，以及類似的東西。
手動示教——此類機器人不具備自主功能，需要工人操作員控制機器人的每一個動作。運動的速度也受到監(jiān)控，并保持在機器人內部系統(tǒng)的安全限值內。
速度和分離監(jiān)測——機器人以這種方式監(jiān)測和限制他們的運動速度，并監(jiān)測協(xié)同工作區(qū)域里各個部件和工人的距離。機器人的運動必須保持在與工人的最小距離之外，或者當工人離得太近時，機器人將停止運動。
功率和力量限制——當此類機器人有運動速度和功率限制的設計，當它與工人或其他物體接觸時，內置的傳感器就能檢測到。當類似接觸發(fā)生時，速度和功率限制將使得碰撞能量不足以造成嚴重傷害。
國際委員會起草了ISO 技術規(guī)范（TS）15066，作為在協(xié)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(fā)，開發(fā)完成之后需要征得業(yè)界的認可才能作為 ISO10218 安全標準的補充。
通 過這一系列的定義，協(xié)作機器人的操作并不陌生。當配置了恰當?shù)墓ぷ鲄^(qū)域限制監(jiān)測傳感器，并編程實現(xiàn)恰當?shù)姆磻獣r，傳統(tǒng)工業(yè)機器人也能實現(xiàn)第一種模式的功 能。然而，已經(jīng)開始出現(xiàn)在第四種模式下運行的機器人，能夠在不受限制的環(huán)境中工作。這種機器人通常針對微小零部件組裝或要求高精度搞重復度的材料搬運。通 常這些人物包括協(xié)助工人自動完成日常任務，而工人則處理需要判斷或不易被機器人替代的操作任務。
協(xié)作機器人目前有幾種形式。 其中最常見的一種是單個機械臂固定在工作臺、墻壁或天花板上，可以伸入工作區(qū)工作。類似于Rethink RoboTIcs的Baxter機器人和ABB的YuMi，外表更像人形，有兩只機械臂，軀干，甚至還有一個“頭”。這種機器人可以獨自站立，能夠像工人 一樣在工作站操作，因此也更容易像工人一樣進入工廠流水線。而另一些，例如Kawada的Nextage，則安裝有輪子，可以快速重新部署。
協(xié)作機器人發(fā)展趨勢
從 安全防護網(wǎng)走出來的協(xié)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(zhàn)后，等待它們的是更加多樣化的工作任務和工作環(huán)境。當今制造業(yè)以分布式作 業(yè)模式為特征，其生產(chǎn)任務和環(huán)境的多樣化是無法避免且又亟待解決的。協(xié)作機器人若能填補此項技術空白，將會成為工業(yè)領域一項劃時代的突破，將會降低生產(chǎn)成 本，提高生產(chǎn)效率，甚至重新定義自動化制造概念。
機器人軟件技術的不斷深化與進步給協(xié)作型機器人的發(fā)展提供了肥沃的土壤，大大增強了協(xié)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(shù)更改和調試周期從過去的數(shù)年數(shù)月縮減到數(shù)天。
主要的軟件技術有：
1. 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(yè)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(xiàn)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(xiàn)力控制，因此需要有較軟的特性， 也就是較小的剛性。
2．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(tài)，
以及機器人智能探測外部工作環(huán)境和對象狀態(tài)的核心部件。機器人傳感器能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號，反饋到中央處理系統(tǒng)或末端執(zhí)行器上。而為了實現(xiàn)在復雜、動態(tài)以及不確定性環(huán)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(tǒng)。傳感器集成化將促使機器人對未建?；虬虢顟B(tài)的外界環(huán)境變化做出實時、準確、靈活的行為響應， 協(xié)作機器人也將能夠更快地適應不同要求的作業(yè)場合。
3．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(tǒng)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(fā)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(yè)要求個性化定制的方向發(fā)展。
寶馬工廠中工人和協(xié)作機器人一同作業(yè)
國內外主要協(xié)作機器人公司
目前研發(fā)協(xié)作型機器人的企業(yè)分成三類：一是擁有核心技術的創(chuàng)新型企業(yè)，例如丹麥Universal Robots的UR系列機器人和美國Rethink RoboTIcs的Baxter 和Sawyer協(xié)作機器人;二是傳統(tǒng)工業(yè)機器人巨頭，比如ABB的YuMi協(xié)作機器人Kuka的LBR iiwa智能工業(yè)工作助理等;三是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，比如谷歌、亞馬遜等，這些類型企業(yè)大都具備核心技術、大量業(yè)內資源、以及資本運作等優(yōu)勢。
國內已有新松機器人、廣州啟帆、山思躍立、遠榮機器人等為代表的自主品牌協(xié)作型機器人。
表1：國內外主要協(xié)作機器人公司
中國協(xié)作機器人迎“彎道超車”機遇
在機器人領域，國外巨頭在核心零部件積累了多年的經(jīng)驗和技術，具有壟斷地位，我國機器人處于追趕者的角色，占領制高點難度較大。如何去彎道超車，我國機器人產(chǎn)業(yè)人要換個角度去思考，需要看到行業(yè)的新興領域。
比如機器人在汽車領域應用已非常廣泛和成熟，但在電子行業(yè)由于市場需求的多樣性，對人機協(xié)作的需求更高。近幾年來，3C產(chǎn)品的銷量一直處于穩(wěn)步增長中。協(xié)作機器人的柔性、靈活度和精準度正好符合了3C產(chǎn)品配件安裝等工作的要求。
中國目前許多產(chǎn)業(yè)正處于轉型的關鍵期，中小企業(yè)對低成本自動化有強烈的需求。我國共擁有超過5000萬家企業(yè)，其中中小企業(yè)就占了99%，而低成本自動化向來都是中小企業(yè)夢寐以求的生產(chǎn)模式。
傳統(tǒng)工業(yè)機器人的價格一般在10萬-40萬人民幣之間，而要將其應用到企業(yè)生產(chǎn)線， 還將要多出2-3倍的部署花費，這個支出對于利潤微薄的中小企業(yè)而言是承受不起的；而協(xié)作機器人的價格一般介于2-3萬美元，因為省去了部署的過程，從而比傳統(tǒng)工業(yè)機器人少去了那個“大頭”的支出。因此協(xié)作機器人顯然更適合中小企業(yè)。
出于效率的需求，人們在生產(chǎn)線上引入了工業(yè)機器人，但由于安全性的欠缺，工業(yè)機器人又只能被限制在一個“監(jiān)獄”之內，再加上體積龐大等因素，要想完成一些細致的工作，對于傳統(tǒng)工業(yè)機器人來說，真的是太難了。
在 這方面，協(xié)作機器人就填補了這個空缺。對于一些講究細致的工作，其準確性與靈活性在很大程度上能夠滿足工作的需求，而它緩慢的速度也為人類提供了一些安全 保障。像3C產(chǎn)品的裝配，一邊是協(xié)作機器人準確地零件放置，一邊是人類的快速組裝，兩處相得益彰，大大提高了生產(chǎn)線的效率。
如今的制造業(yè)日新月異，其技術需求也發(fā)生了巨變。企業(yè)們在尋求全新而經(jīng)濟的方式來滿足不斷變化的客戶需求，具備靈活性的自動化也隨之成為全球眾多工廠的優(yōu)先考量事項。
協(xié)作機器人將用到很多先進技術，其中包括機器視覺技術，這將有助于國內企業(yè)切入機器人產(chǎn)業(yè)上游環(huán)節(jié)，提升附加值。
由于機器視覺技術主要依靠的軟件服務、半導體芯片和傳感器等硬件產(chǎn)品已經(jīng)在我國已具備良好的發(fā)展基礎，從而有助于國內企業(yè)快速進入產(chǎn)業(yè)鏈上游開發(fā)環(huán)節(jié)，而且對于加快制造業(yè)轉型升級，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)制造過程的智能化和綠色化發(fā)展具有重要的意義。
結語：目前從小型作坊，到橫跨全球的制造業(yè)巨無霸，都已經(jīng)呈現(xiàn)出制造業(yè)的未來形態(tài)，智能協(xié)作機器人正在引領制造業(yè)邁向生產(chǎn)效率更高的將來。隨著技術的發(fā)展，相信協(xié)作機器人最終將變成一個過渡概念，未來所有的機器人都應該具備與人類一起安全的協(xié)同工作的特性。
朱先生