人机协作新范式：机器人与人类团队如何实现安全与协同增效

高效制造需要车间人员、设备、软件的协同系统。这些系统日益包含机器人技术，制造商认可机器人提供的可靠性、重复性与柔性。国际机器人联合会数据：全球工业机器人装机量将于2019年达约260万台，较2015年增约100万。约70%用于汽车、电子电气、金属机械三大行业。

安全是制造运营首要考量；传统工业机器人安全使用要求人员与机器人保持设定距离，设置防护栏笼防工伤。日益丰富的机器人、软件与实施策略旨在实现人机更紧密、高产的互动。

管控关系跨度从：传感器监控人员进入危险区触发机器人停止，到全“协作”机器人（协作机器人/cobots）设计可安全与人并肩作业。差异化协作模式让制造商充分释放机器人系统与人员潜能。

枯燥、危险、肮脏

美国熟练工短缺驱动协作机器人需求激增。资深员工退休、年轻人入行不足导致车间用工缺口。

为填补技能鸿沟，制造商让机器人承担重复/危险作业，将工人转向需思考技能的岗位。“我们看到人员被重新分配”，Universal Robots USA（密歇根安娜堡）西区销售经理Craig Tomita说，该公司制造全协作机器人。

Tomita称协作机器人实施相对简单：工作在人尺度包络内，无需传统工业机器人必备的防护栏。无需重排车间布局，空间利用率不变。“把协作机器人放在人工操作员当前作业位置即可”，他说，虽协作机器人安全，风险评估——识别系统所有潜在危害并缓解——至关重要。

易用性是全协作机器人关键属性。虽小型协作机器人能力匹敌小型传统机器人，但协作机器人培训编程门槛极低。“UR系统编程易用性改变游戏规则”，Tomita说。“如需集成进大型制造系统，UR设备可用手持触屏编程运行。高阶用户也可用类Python脚本语言编程。”

协作机器人降低集成成本门槛，小厂也能用。“像冰山，机器人露出水面部分”，Tomita打趣，“集成过程是水下部分。整体看极贵。协作机器人成本与标准工业机器人相当，但集成成本大幅更低。”

机器人利用也能降人工成本，Tomita说：“用协作机器人的公司常能报之前报不了的单，因人工成本不再离谱。”

应用前景广阔。“我们协作机器人的应用数量与类型尚未被想象”，Tomita说。“习惯以为机器人在笼子那边、人在这边、二者永不相见。这正在改变。”

Universal Robots提供三款六轴协作机器人：UR3负载3.3kg/工作半径500mm至UR10负载10kg/半径1300mm。

典型客户CleanLogix LLC（加州圣克拉里塔）开发CO2清洁冷却应用产品。总裁David Jackson说：“我们能将喷雾广播进切削区，为切削工具冷却提供极清洁绿色手段。”单机器人可执行不同任务：如装工件入加工中心后更换末端执行器供冷却。“多任务机器人+全绿色精益方案。对小尺寸机器人非常兴奋。”

协作机器人安全与人共事能力让作业组织最大化协同：如机器人装配系列组件同时人工插微细导线需灵巧认知。机器人擅长需重复、可靠、精度的作业：包装、码垛、装配、拾放。

重复定位精度与绝对精度是机器人性能两个相关但不同指标。重复定位精度衡量机器人反复回到给定位置能力。各协作机器人宣称重复定位精度约±0.02至±0.1mm（0.0008至0.004英寸）或更低。

绝对精度衡量机器人移动至期望位置/路径的接近度，分位置精度与路径精度。钻孔等机器人移动到位停顿钻进需位置精度。激光切割/喷涂等过程在移动中进行需路径精度。

应用决定协作模式

通常人机并肩用小负载低速协作机器人——典型约1m/s（39.4ips）。但ABB机器人与运动事业部装配测试业务线经理Nicolas De Keijser指出，负载轻或速度慢本身不保证安全协作操作。极轻但危险载荷可能是刀片或注射针。低速重载荷可构成挤压危险。中速中等载荷夹爪失效可抛飞载荷。

机器人系统协作性仅相对于其应用。“若操作危险，无论机器人多协作都不想靠近”，De Keijser说，任何应用都需完整方案安全评估。“读标准总会规定：讨论的是协作操作，非协作机器人。”

ABB双路径保障人机安全共存。真正协作应用如小件装配，由台式双臂YuMi机器人满足。38kg（84lb）机器人伸展599mm（24英寸），单臂负载500g（1.1lb）。占人尺度区域安全并肩作业。

另一路径：冗余系统结合审慎编程与安全监控软件，实现大型标准工业机器人安全运行。机器人编程安全作业范围后，ABB SafeMove2安全认证机器人监控软件提供冗余安全保护：监控机器人活动含安全速度限制、静止监控、轴范围、位置姿态监督。软件集成于机器人控制器，可节省调试时间、提升生产力、降总投资成本，De Keijser说。

安川Motoman Kinetiq Teach系统是ISO 10218-1/2描述的手动示教人机交互模式例证。

内置自适应控制

另一种机器人协作融合匠人技经验与机器人危险区作业能力。焊接通常非友好操作。安川美国Motoman机器人事业部热能业务发展总监Zane Michael说：“当前市场‘协作’意指机器人与操作员区域重叠、紧密配合。未见该意义下的‘协作’用于焊接环境。”

虽机器人焊接严格非协作，但熟练焊工与机器人协作形式支撑一致性能。非焊接机器人编程运行难。“编程运行机器人易”，Michael说，“Motoman有Kinetiq Teach系统：抓焊枪引导机器人走期望路径、记录路径、即刻就绪。”但他补称，不懂焊接却跑焊接机器人遇周期性焊缺陷如咬边烧穿是“艰难战役”。

此时资深焊工可调整机器人动作克服问题。激光等传感器自适应控制系统可用于基本缝跟踪，但大多数焊接系统出厂不含此类系统。“人类焊工拥有我称之为的内置自适应控制”，Michael说。

视运营复杂度与产能，机器人工作站具不同自动化安全形式。Motoman ArcWorld单工位C30用于小件低量单件加工。工位门开允许操作员上工件上定位器时机器人急停模式。操作员离开门降下焊接开始。另一边，大件高量6000系列摩天轮式分度工件夹具可外部上料同时多机器人内部焊接组件。

焊接企业面临类似劳动力短缺。美劳工统计局数据，美国焊工协会估2020年美焊工缺口29万。Michael称前瞻焊接供应商与职业校职业中心合作创建焊工课程。如Motoman创建焊接STEM项目及高中/成人焊接培训匹配课程。

机器人与IoT

云计算与物联网促进机器人、用户、机器人制造商三方协作。制造商常监控机器人运行时间记录生产率，FANUC美国（密歇根罗切斯特山）材料连接细分总经理Mark Scherler说：“但不止于此。我们用互联网采集机器人数据助制造商提升运行时间。”

FANUC供协作与标准工业机器人。为充分挖掘机器人数据，公司开发零停机（ZDT）诊断应用，检测分析机器人机械运行与维护状态关键信息。如厂内机器人装ZDT可感知某轴扭矩升高预示问题。经云技术ZDT将运营信息传FANUC数据中心分析。关键问题触发通知推送至机器人用户指定智能设备。

同时FANUC确认解决问题所需备件可用性。数据也可用于优化机器人系统：改善循环时间、降能耗、更好维护延寿命。

自动化柔性

Morris Group莫里斯南方分部东区销售经理Jeff Estes（前Okuma美国THINC合作伙伴总监）称高产量汽车业数十年引领自动化采用。今日中小批量制造商寻求自动化可靠性可预测性，同时要快速换型柔性。机器人技术让车间快速更改编程细节与末端执行器。

Estes指出机器人自动化机床非仅上下料。“关键是如何实现无人值守或少人值守运行”，他说。全自动单元汇聚机床、机器人、量仪、视觉系统、物料搬运设备，创建“可持续运行并自主基础决策的闭环操作”。单元多要素生成个别操作信息，“但直到它们开始协同工作前只是碎片信息”。集成商选择布置单元要素并协调其功能。

部分机床商保持自有集成能力提供交钥匙系统。Methods Machine Tools（马萨诸塞萨德伯里）美拥30+自动化工程师，含设计、控制、电气机械、系统集成、现场服务安装人员。补充机床供应商与系统集成商活动，Methods近期在北卡夏洛特设施增设自动化集成中心。自动化专家与系统集成工程师提供设备能力咨询：从定义构建单元到试运行。新10,000平方英尺（929平米）设施“聚焦为客户提供定制化综合方案”，Methods自动化经理John Lucier说。

整体自动化

协作机器人等技术改变制造商自动化思维。Estes鼓励制造商利用自动化系统生成采集数据的力量。

数据分析可贡献产品质量、刀具管理、物流物流等生产层面。实施机器人技术应“更整体化”，Estes说。“别只想省个上下料人，要问：‘能不能用这机器人做更多，让它更IoT或工业4.0相关？’”机器人自动化系统有被低估能力，他说：“即使我们OEM供应商每天都在学习如何让它们更强。”

什么使机器人成为协作机器人？

“协作机器人”常用于描述机器人动作受控以适应人员的任何情况。现实中，人机关系随机器人与应用大异。

ISO 10218-1/2《工业机器人应用安全标准》2011年发布。列出工业机器人安全设计、防护措施、应用要求。标准定义车间人员与机器人四种安全相关交互模式。

模式一：安全监控停止。传感器监控机器人预设区域，人员进入即停止。人工干预少时可接受，但频繁中断降产率。

模式二：手动示教。操作员抓机械臂移至路径期望点、用示教器记录点。机器人力矩传感器识别人工引导。传感器非安全系统，教导模式外机器人须有其他装置/系统保障人机安全交互。

模式三：速度与分离监控。视觉系统检测机器人指定安全区内人员。人机距离减小时机器人渐减速；至特定距离停止。人员离开安全区机器人恢复正常速度。渐进安全模式在人工干预下维持生产率。

模式四：机器人与人并肩活动，免防护栏笼。此类机器人称功率与力限制机器人。传感器检测到机器人异常力（如接触工人产生）即立即减速、停止或反向。此类机器人通常较传统工业机器人更小、功率更低，圆润外形与封闭关节避免夹伤。

2016年ISO发布技术规范ISO/TS 15066补充细化ISO 10218-1/2。TS 15066定义协作机器人为设计用于协作工作空间与人直接交互、人机可同步执行任务的机器人。规范详述机器人可施加于人体无痛无伤的力阈值，基于人体特定部位冲击测试确定。仍须对特定应用的操作、零件、工具做风险评估确保绝对安全。