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我們?yōu)槭裁葱枰獏f(xié)作機器人?
瀏覽量:1724 上傳更新:2019-03-29

一、協(xié)作機器人的起源

首先我們先來(lái)了解一下協(xié)作機器人的簡(jiǎn)單歷史。為了準確定義協(xié)作機器人,先看兩個(gè)名詞:

協(xié)作區域(Collaborative Workspace) ,指機器人和人類(lèi)可以同時(shí)工作的區域,以下是ISO 10218-2中的定義:workspace within the safeguarded space where the robot and a human can perform tasks simultaneously.

協(xié)作機器人(Collaborative Robot) ,指被設計成可以在協(xié)作區域內與人直接進(jìn)行交互的機器人,以下是ISO 10218-2中的定義:robot designed for direct interaction with a human within a defined collaborative workspace.

中小企業(yè)(Small and medium-sized enterprises,SMEs)是協(xié)作機器人的非常重要的客戶(hù)群,而協(xié)作機器人的興起也與SMEs密不可分。

SME Project(http://www.smerobot.org/index.php)開(kāi)始于2005年,由EU FP6(Framework Programme 6)項目資助,參與的企業(yè)包括ABB、KUKA、Reis、Comau、Güdel 等,其目的是尋找防止勞動(dòng)力離岸(offshore)輸出到低勞動(dòng)成本國家的方法。其主要的論點(diǎn)是,如果通過(guò)機器人技術(shù)增強SMEs的勞動(dòng)力水平,降低成本,提高競爭力,就可以避免勞動(dòng)力外包的情況(將工作機會(huì )留在國內)。因此,協(xié)作機器人(co-bots)最初的市場(chǎng)就是中小企業(yè)(SMEs)。

同年Esben 01stergaard, Kasper St03y 和 Kristian Kassow在南丹麥大學(xué)一起做研究時(shí)創(chuàng )辦了Universal Robot,現在的CEO Esben 01stergaard當時(shí)是南丹麥大學(xué)的助理教授,三個(gè)人發(fā)現了中小企業(yè)對機器人的新需求(也與當時(shí)丹麥政府主導的一項機器人計劃有關(guān)),并在2009年推出了第一款協(xié)作機器人UR5。

在UR5之前的絕大多數協(xié)作機器人都是在傳統機器人的基礎上改造的,UR5是第一個(gè)從產(chǎn)品設計伊始就以協(xié)作機器人的要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)的機器人。

之后不久(2008年),Rodney Brooks創(chuàng )辦了Rethink,其最初的目的也是為了 幫助美國本土的SMEs提高生產(chǎn)效率,降低成本,減少離岸外包。 最初推出的雙臂Baxter并不是很成功,慢慢開(kāi)始落后于UR,去年秋天推出了新款的單臂Sawyer機器人,市場(chǎng)接受度如何還有待觀(guān)察。

在UR和Rethink之后,成長(cháng)出一大批新創(chuàng )立的協(xié)作機器人公司,市場(chǎng)上的協(xié)作產(chǎn)品也越來(lái)越多,協(xié)作機器人的概念開(kāi)始慢慢被大家所認識和接受。

二、為什么需要協(xié)作機器人?

協(xié)作機器人的興起意味著(zhù)傳統機器人必然有某種程度的不足,或者無(wú)法適應新的市場(chǎng)需求。

總結一下,主要有三點(diǎn):

1、傳統機器人部署成本高

其實(shí)相對來(lái)講,工業(yè)機器人本身的價(jià)格并不高。主流場(chǎng)合使用的機器人,根據負載能力不同,售價(jià)區間在¥10w~¥40w。一般情況下一臺機器人的使用壽命在5~8年,作為比較高端的工業(yè)設備來(lái)講并不算貴。

傳統機器人貴在其部署(將機器人安裝到工廠(chǎng)并正常運行)成本上,原因有兩個(gè):

目前的工業(yè)機器人主要負責工廠(chǎng)中重復性的工作,這依賴(lài)于其非常高的重復定位精度(重復到達空間某些固定位置的能力,一般機器人可以做到0.02mm以下),以及依賴(lài)固定的外界環(huán)境。為了保證這一點(diǎn),除了機器人本身的設計要求之外,還需要待加工的產(chǎn)品放在固定的位置,以便機器人每次都可以到同一個(gè)地方準確的拿取或者執行某項操作。對于現代復雜的流水線(xiàn)作業(yè)來(lái)講,在整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)上為每一個(gè)使用機器人的工序都設計這些固定的外界環(huán)境需要耗費大量的資源,占用大片寶貴的車(chē)間面積以及長(cháng)達數月的實(shí)施時(shí)間。

機器人的使用難度較高,只有經(jīng)過(guò)培訓的專(zhuān)業(yè)人士才能熟練使用機器人完成配置、編程以及維護的工作,普通用戶(hù)很少具備這樣的能力。

將之前以工人操作為主的流水線(xiàn),變?yōu)橛蓹C器人和自動(dòng)化設備為主的生產(chǎn)線(xiàn),是一個(gè)系統工程,絕大多數終端工廠(chǎng)客戶(hù)并不具備這樣的能力,因此就需要一個(gè)第三方的角色來(lái)完成這部分工作,這個(gè)第三方即系統集成商(System Integrator,計算機行業(yè)也存在類(lèi)似分工的企業(yè),從本質(zhì)上來(lái)講做的事情是差不多的),來(lái)根據客戶(hù)現場(chǎng)的實(shí)際情況,來(lái)完成機器人的最終部署。

系統集成商的工作至少包括:

生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化改造方案(流程、設備布局、人員配置等)

機器人外圍支持設備的設計、制造、安裝

符合工藝要求的機器人編程、調試

客戶(hù)技術(shù)團隊的培訓

以及后續的售后維護工作

根據很多業(yè)內機構和前輩統計的數字,整個(gè)機器人部署/集成應用的費用大概是機器人售價(jià)的3~4倍。近幾年隨著(zhù)國內集成商的迅速擴軍,競爭越來(lái)越激烈,整體價(jià)格有所下滑,但也基本在2~3倍。

以常見(jiàn)的弧焊工作站為例,采購一臺進(jìn)口品牌的弧焊機器人價(jià)格約在11~15w之間,但是經(jīng)過(guò)系統集成商這一層之后,整體報價(jià)不會(huì )低于30w,個(gè)別夸張的甚至能報到100w。在工資相對較高的長(cháng)三角和珠三角地區,一名熟練焊工的工資大概在5k~7k,1臺機器人代替1~2名工人,ROI不會(huì )少于2年,很多中小企業(yè)主對機器人會(huì )選擇猶豫和觀(guān)望。

如果使用的機器人比較多,則大部分情況下需要對原有的生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行改造,甚至重新建設,不僅需要巨大的投資,可能還涉及到停產(chǎn)改造,這也是很多工廠(chǎng)遲遲不上機器人的原因之一。

除此之外,因為每一條生產(chǎn)線(xiàn)上的大部分設備(末端工具、非標機械、控制流程等)都是針對特定的產(chǎn)品設計的,如果涉及到中途變更生產(chǎn)需求,很大概率上之前的生產(chǎn)線(xiàn)無(wú)法直接滿(mǎn)足新產(chǎn)品生產(chǎn)的需求,這就涉及到機器人系統的重新設計和部署,這部分的工作量有時(shí)會(huì )接近首次部署。

簡(jiǎn)而言之,單獨的機器人無(wú)法直接用于工廠(chǎng)的生產(chǎn)線(xiàn)上,還需要很多外圍設備的支持。雖然機器人本身是一種高柔性、高靈活性的設備,但整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)不是,一旦涉及生產(chǎn)線(xiàn)變動(dòng),費用很高。

2、傳統機器人無(wú)法滿(mǎn)足中小企業(yè)需求

中小企業(yè)是目前機器人新興市場(chǎng)的主要客戶(hù),目前傳統的工業(yè)機器人無(wú)法很好的滿(mǎn)足SME的需求。

傳統工業(yè)機器人的目標市場(chǎng)是可以進(jìn)行大規模生產(chǎn)的企業(yè)。

大規模生產(chǎn)是20世紀最流行的資本主義生產(chǎn)方式,以生產(chǎn)過(guò)程的分解、流水線(xiàn)組裝、標準化零部件、大批量生產(chǎn)和機械式重復勞動(dòng)等為主要特征。

有能力進(jìn)行大規模生成的企業(yè),對機器人系統高額的部署費用相對不敏感,因為在產(chǎn)品定型之后,在足夠長(cháng)的時(shí)間內生產(chǎn)線(xiàn)可以不做大的變動(dòng),機器人基本不需要重新編程或者重新部署,可以最大化利用機器人標準化、高效率的特點(diǎn),實(shí)現投資價(jià)值最大化。

汽車(chē)行業(yè)是大規模生產(chǎn)的典型代表, 世界上第一臺工業(yè)機器人也部署在通用汽車(chē)的工廠(chǎng)中,負責沖壓零件的搬運工作。到今天,汽車(chē)行業(yè)仍然占據了全球機器人出貨量的40%以上。

一款新車(chē)從發(fā)布到退出市場(chǎng),一般會(huì )經(jīng)歷3~6年時(shí)間。這期間,即使有改款,也只是對外觀(guān)、內飾進(jìn)行微調,這些變動(dòng)一般不會(huì )影響到機器人的工作(車(chē)身焊接、噴漆、主要零部件搬運),因此在機器人的整個(gè)生命周期基本上不需要對已經(jīng)完成的生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行改動(dòng)或者對機器人進(jìn)行重新部署,只需要正常的維護即可,發(fā)揮了機器人的優(yōu)點(diǎn),避開(kāi)了它的缺點(diǎn)。

而中小企業(yè)則不一樣,它們的產(chǎn)品一般以小批量,定制化,短周期為特征,沒(méi)有太多的資金對生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行大規模改造,并且對產(chǎn)品的ROI更為敏感。

這要求機器人具有較低的綜合成本、快速部署/重部署能力、簡(jiǎn)單上手的使用方法,而這些,傳統機器人很難滿(mǎn)足。

此外,在某些機器人應用的新興行業(yè)中,即使是大企業(yè)也面臨與中小企業(yè)同樣的問(wèn)題,3C(Computer、Communication和Consumer Electronics)產(chǎn)業(yè)是這個(gè)方面的典型代表。

3C市場(chǎng)中如手機、平板、可穿戴設備等主流產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度非???,基本上生命周期只有1~2年,短的甚至只有幾個(gè)月。如果采用傳統機器人方案,投入大量資源,耗費數月建設的生產(chǎn)線(xiàn)可能連成本的零頭還沒(méi)收回,所生產(chǎn)的產(chǎn)品就該退市了。而如果對生產(chǎn)線(xiàn)再進(jìn)行改造,又要投入巨大的資源,這是不可接受的。

除了資金投入,3C行業(yè)很多時(shí)候更關(guān)心時(shí)間,常見(jiàn)機器人自動(dòng)化改造方案耗時(shí)1個(gè)月到數個(gè)月不等,但3C產(chǎn)品無(wú)法在每一次換代都等待這么久。那邊蘋(píng)果說(shuō)“下個(gè)月開(kāi)始生產(chǎn)iPhone7的外殼”,你這邊說(shuō)“先等我1個(gè)月把生產(chǎn)線(xiàn)改造一下”,顯然是不現實(shí)的,這些情況下還是人靠譜,培訓3天,立馬上崗。

3、無(wú)法滿(mǎn)足新興的協(xié)作市場(chǎng)需求

工業(yè)機器人一直以來(lái)都是高精度、高速度自動(dòng)化設備的典范,但是由于歷史和技術(shù)原因,與人在一起時(shí)的安全性不是機器人發(fā)展的重點(diǎn),因此在絕大多數工廠(chǎng)中出于安全性考慮,一般都要使用圍欄把機器人和人員進(jìn)行隔離。

幸好對于大部分之前機器人所從事的工作來(lái)講,并不需要人的參與,機器人可以獨立完成。

但是人力成本的上升,很多其他以前沒(méi)有或很少使用機器人的行業(yè)開(kāi)始尋求機器人自動(dòng)化解決方案,例如之前提到的3C行業(yè),還有醫藥、食品、物流等行業(yè)。

這些新興行業(yè)中的特點(diǎn)是產(chǎn)品種類(lèi)很多、體積普遍不大、對操作人員的靈活度/柔性要求高?,F有的機器人很難在成本可控的情況下給出性能滿(mǎn)意的解決方案,那怎么辦?

機器人不行的,人來(lái)補充嘛,我們搞人機結合(不要想歪了)。

由人類(lèi)負責對柔性、觸覺(jué)、靈活性要求比較高的工序,機器人則利用其快速、準確的特點(diǎn)來(lái)負責重復性的工作。

比如組裝鍵盤(pán),可以由機器人把鍵帽放置到位,人來(lái)進(jìn)行卡扣的工作;再比如組裝手機/電腦,機器人負責把主要零配件、螺絲放到合適的位置,人來(lái)負責排線(xiàn)安裝,卡扣,擰螺絲的工作。

但是如果二者要合作,中間還要隔一個(gè)柵欄就太不方便了,人和機器人之間要進(jìn)行交互,還要先通過(guò)安全門(mén),整體效率還不如單獨使用人來(lái)得高。這個(gè)時(shí)候就需要一些額外的技術(shù)來(lái)保證機器人與人類(lèi)可以安全的在同一個(gè)區域工作,而不需要柵欄這樣礙事的東西擋在中間,即要求機器人具有安全協(xié)作的特性。

各大機器人廠(chǎng)商的機器人都配備有各自的安全技術(shù),例如ABB的SafeMove,Fanuc的DCS,KUKA的KUKA.safe,但其安全功能本身還比較初級,例如將物理的圍欄換成了虛擬圍欄、檢測到有人靠近時(shí)自動(dòng)停止,仍然不算是完整的協(xié)作安全技術(shù)。

三、協(xié)作機器人與傳統機器人有什么不同?

本質(zhì)上講,協(xié)作機器人與傳統機器人之間并沒(méi)有非常大的不同,只是基于不同的設計理念生產(chǎn)的工業(yè)機器人產(chǎn)品,在協(xié)作機器人發(fā)展初期,很多都是從傳統機器人的基礎上改造的。

如果非要找不同, 第一個(gè)不同是這兩種機器人所面向的目標市場(chǎng)不一樣 ,這個(gè)前面已經(jīng)解釋過(guò),不再贅述。

第二個(gè)不同點(diǎn)是二者替代的對象不一樣。 以傳統機器人為主的自動(dòng)化改造是用生產(chǎn)線(xiàn)代替生產(chǎn)線(xiàn),機器人做為整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)中的組成部分,很難單獨拿出來(lái),如果某個(gè)環(huán)節的機器人壞了,在沒(méi)有設計備份的情況下,整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)可能要停工。而協(xié)作機器人的獨立性很強,它代替的是單獨的人,二者之間可以互換,一個(gè)協(xié)作機器人壞了,挪開(kāi)找個(gè)人代替就好了,整個(gè)生產(chǎn)流程的靈活性非常高。

講了這么多全是說(shuō)優(yōu)點(diǎn),既然協(xié)作機器人這么好,那是不是可以取代傳統機器人了?

當然不是,協(xié)作機器人只是整個(gè)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈中一個(gè)非常重要的細分類(lèi)別,有它獨特的優(yōu)勢,但缺點(diǎn)也很明顯:

為了控制力和碰撞能力,協(xié)作機器人的運行速度比較慢,通常只有傳統機器人的三分之一到二分之一;

為了減少機器人運動(dòng)時(shí)的動(dòng)能,協(xié)作機器人一般重量比較輕,結構相對簡(jiǎn)單,這就造成整個(gè)機器人的剛性不足,定位精度相比傳統機器人差1個(gè)數量級;

低自重,低能量的要求,導致協(xié)作機器人體型都很小,負載一般在10kg以下,工作范圍只與人的手臂相當,很多場(chǎng)合無(wú)法使用。

借用Rethink Baxter的一句宣傳語(yǔ),協(xié)作機器人的目標應用場(chǎng)合可以概括為:

Human class,human-scale task in a human environment.

協(xié)作機器人最終將變成一個(gè)過(guò)渡概念,隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)所有的機器人都應該具備與人類(lèi)一起安全的協(xié)同工作的特性。

本質(zhì)安全應該是理想機器人的必備且基礎的特征。

就像我們現在不再區分黑白電視和彩色電視而統稱(chēng)為電視,不再區分功能機和智能機而統稱(chēng)為手機,未來(lái)所有的機器人也將不再區分協(xié)作與非協(xié)作,而統稱(chēng)為機器人。

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