迄今為止，汽車(chē)工業(yè)是首個(gè)需要開(kāi)啟人機(jī)協(xié)作模式的行業(yè)，原因在于使用機(jī)器人越來(lái)越簡(jiǎn)便。因?yàn)槿藗儗?duì)生產(chǎn)中人性化的要求及企業(yè)面臨著制造和競(jìng)爭(zhēng)方面的壓力，所以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)很快將成為中型企業(yè)的常態(tài)。為此，自動(dòng)化對(duì)各行業(yè)開(kāi)啟了新的可能性：即使用機(jī)器人所帶來(lái)的機(jī)遇。
在眾多媒體中，Pentagon和Google加大了例如對(duì)無(wú)人機(jī)和車(chē)輛設(shè)置這樣自主系統(tǒng)的關(guān)注，工業(yè)特別是生產(chǎn)制造業(yè)正在尋求集成化合作式的技術(shù)解決方案。一方面人們?cè)谥铝τ谑褂迷O(shè)備替代人的工作，另一方面致力于讓系統(tǒng)、人與機(jī)器人能夠相互合作。因?yàn)樵谶^(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人與人的合作更為密切。許多行業(yè)看到了人機(jī)協(xié)作的優(yōu)勢(shì)，而有些行業(yè)卻認(rèn)為這樣的應(yīng)用沒(méi)有意義，但是在實(shí)際應(yīng)用中還是對(duì)人機(jī)協(xié)作的探討予以大力支持。Universal Robots公司的CTO Esben H.?stergaard表示：“人機(jī)協(xié)作正在改變生產(chǎn)制造，在此期間，機(jī)器人在人們印象中噪聲大或危險(xiǎn)性大的形象正在轉(zhuǎn)變?！?/p>
圖1 到2015年，世界范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的銷(xiāo)售量有很大增長(zhǎng)（單位：1000臺(tái)）
在Automatica 2014展會(huì)上，在這個(gè)領(lǐng)域有這樣一個(gè)明確的基本觀點(diǎn)，即今后機(jī)器人和人會(huì)有更進(jìn)一步的合作。同時(shí)，在2015年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，最新一代的機(jī)器人已經(jīng)成為了關(guān)注焦點(diǎn)，同時(shí)，讓更多對(duì)此感興趣的專(zhuān)業(yè)界人士與最新一代機(jī)器人近距離接觸的條件也已經(jīng)形成(圖1)。技術(shù)領(lǐng)先的機(jī)器人生產(chǎn)廠商展示了機(jī)器人技術(shù)如何能夠成為生產(chǎn)中更具競(jìng)爭(zhēng)力和靈活性的關(guān)鍵。在此，人機(jī)協(xié)作也受到了人們進(jìn)一步的關(guān)注，機(jī)器人也將會(huì)更加靠近它們的同事。對(duì)于這一點(diǎn)，F(xiàn)esto公司負(fù)責(zé)機(jī)電一體化系統(tǒng)研究的Alexander Hildebrandt博士表示：“未來(lái)技術(shù)必須能夠適應(yīng)改變著的框架及人們的介入?！?/p>
更具安全性的合作關(guān)系
如St?ubli公司在介紹TX2機(jī)器人裝有的CS9控制器時(shí)所講的那樣，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)與人更多地合作，且其中機(jī)器人應(yīng)具備“開(kāi)創(chuàng)性的安全功能”。多數(shù)這樣的安全功能，如安全加速和安全停止功能組成了人與機(jī)器人在沒(méi)有防護(hù)圍欄的前提下安全可靠合作的基礎(chǔ)。由于集成有傳感器，所以機(jī)器人能夠識(shí)別出要靠近操作人員并自動(dòng)減速，在接下來(lái)的生產(chǎn)作業(yè)中也不會(huì)有大幅度的動(dòng)作。一旦機(jī)器人的活動(dòng)范圍內(nèi)沒(méi)有操作人員時(shí)，機(jī)器人便可以在其編程的“舒適感應(yīng)區(qū)內(nèi)”以之前的高速運(yùn)行作業(yè)，并繼續(xù)正常工作。TX2-6軸機(jī)器人結(jié)構(gòu)系列裝有獲得TüV認(rèn)證的能夠滿足SIL3-Ple要求的CS9控制器。
圖2 使用了UR公司38臺(tái)UR5型和UR10型機(jī)器人的Trelleborg Sealing Solutions公司
能夠加大其用戶(hù)的訂單量，為了配合機(jī)器人完成生產(chǎn)，公司還多聘用了50名工作人員
這在今天是安全和自動(dòng)化融合的一個(gè)絕對(duì)重要的標(biāo)準(zhǔn)，第三代UR機(jī)器人中操作人用友好且輕型的UR5和輕型的UR10機(jī)器人也已考慮到這一點(diǎn)(圖2)。同樣，機(jī)器人手臂的靈活應(yīng)用也必須符合標(biāo)準(zhǔn)并得到TüV認(rèn)證：無(wú)需防護(hù)圍欄，易操作且可快速編程。機(jī)器人臂要設(shè)置新的功能，其中有8個(gè)可校準(zhǔn)的安全功能。6軸彎曲臂機(jī)器人證實(shí)了這些功能，該型機(jī)器人為輕型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，承載能力為5～10?kg。?stergaard證實(shí)了該型機(jī)器人市場(chǎng)需求量大：“輕型機(jī)器人可作為汽車(chē)工業(yè)的噴漆機(jī)器人或?yàn)楣ぞ呱a(chǎn)廠商提供很大的輔助性，該型機(jī)器人最主要的功能還是適合用于中小型生產(chǎn)制造企業(yè)?！?/p>
靈感來(lái)自生物學(xué)
當(dāng)人們談到輕型機(jī)器人技術(shù)和人機(jī)協(xié)作時(shí)，會(huì)很自然地談到位于Augsburger的機(jī)器人生產(chǎn)廠商Kuka公司。該公司研發(fā)的LBR iiwa型機(jī)器人可完成各種工作：其能夠從通過(guò)使用安裝在塑料框里的玻璃板顯示器來(lái)清理大型廚房的臺(tái)面，可在汽車(chē)車(chē)身里自動(dòng)地安裝栓塞，也就是該型機(jī)器人總是出現(xiàn)在那些單調(diào)且強(qiáng)度大的工作任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)。
機(jī)器人在那些可靈活應(yīng)用且便于實(shí)施的行業(yè)中證明了一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，也就是人們?cè)谘邪l(fā)機(jī)器人時(shí)從生物學(xué)中獲取的靈感，為機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用注入了新的活力，這樣機(jī)器人便從原來(lái)的硬冷且僵化的機(jī)器變成了柔軟且順從的助手，這可稱(chēng)之為“柔性機(jī)器人”。德國(guó)Fraunhofer–IPA的機(jī)器人輔助系統(tǒng)部門(mén)主任Martin H?gele表示，迄今為止，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的機(jī)械部件正在向優(yōu)化剛性和精密性方向發(fā)展，隨著人機(jī)協(xié)作的普及，人和機(jī)器分擔(dān)完成工作任務(wù)，會(huì)越來(lái)越多的出現(xiàn)新型機(jī)器人手臂：結(jié)構(gòu)緊湊、順從、敏感且有機(jī)的機(jī)體化機(jī)器人手臂具備被稱(chēng)之為“柔性機(jī)器人”的這些典型特征的機(jī)器人手臂的增加會(huì)被看作是一個(gè)可能的開(kāi)端。這預(yù)示著生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)的下一個(gè)新的發(fā)展方向(圖3)。美國(guó)和瑞士的若干項(xiàng)目正將該項(xiàng)技術(shù)向前推進(jìn)，在此方面德國(guó)現(xiàn)在也正在積極開(kāi)展工作。一家企業(yè)長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)一直從事這項(xiàng)工作，這應(yīng)當(dāng)算做榜樣嗎?至少有一點(diǎn)是清晰的，即Festo正在研發(fā)順從的機(jī)器人手臂，生物型調(diào)節(jié)抓手機(jī)器人手臂。Hindebrandt表示：“使用生物型調(diào)節(jié)輔助裝置已經(jīng)出現(xiàn)了突破性進(jìn)展，也就是實(shí)現(xiàn)了從一個(gè)處理技術(shù)到人機(jī)協(xié)作的再創(chuàng)新?！?/p>
圖3 工業(yè)使用的人機(jī)協(xié)作的一個(gè)靈活的柔性機(jī)器人技術(shù)輔助系統(tǒng)版本
氣動(dòng)結(jié)構(gòu)極其輕巧且順從，直接接觸沒(méi)有危險(xiǎn)性。當(dāng)發(fā)生狀況時(shí)，輔助系統(tǒng)立即退讓?zhuān)恍枰袷褂脗鹘y(tǒng)的機(jī)器人那樣對(duì)工作人員進(jìn)行周密的保護(hù)。與重型工業(yè)機(jī)器人相反，生物型的調(diào)節(jié)助理系統(tǒng)是一個(gè)唯一的體量，有效負(fù)荷比高、運(yùn)動(dòng)過(guò)程柔軟靈活且自由度高、節(jié)省能源的輔助系統(tǒng)。
Hindebrandt繼續(xù)說(shuō)道：“用新的生產(chǎn)制造方式制造出選擇性激光燒結(jié)裝置(SLS)，也就是一種靈活、順從且結(jié)構(gòu)輕的控制處理裝置是個(gè)特殊的挑戰(zhàn)。接受‘抓起工件’、‘打開(kāi)抓手’、‘退到起始位置’所有這些命令，而得到德國(guó)未來(lái)獎(jiǎng)表彰的輕型輔助系統(tǒng)，使用的是集成化的圖像和語(yǔ)音識(shí)別裝置?！碑?dāng)前工程技術(shù)人員正在研發(fā)工作范疇內(nèi)正在致力于輕型付賬系統(tǒng)的外形尺寸的最佳化和控制調(diào)整規(guī)則系統(tǒng)的研發(fā)。
Hindebrandt在介紹他們目前在輔助系統(tǒng)方面的研發(fā)工作時(shí)表示，當(dāng)關(guān)系到材料應(yīng)用的穩(wěn)定性時(shí)，公司也在開(kāi)展增材制造技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)工作。Festo的研發(fā)人員正在聯(lián)合項(xiàng)目INSERO3D在框架內(nèi)進(jìn)行一個(gè)微縮3D相機(jī)的研究。將來(lái)生物型調(diào)節(jié)助理系統(tǒng)應(yīng)能夠借助于該微縮3D相機(jī)在一個(gè)空間內(nèi)辨認(rèn)情況，以便能夠避讓障礙(圖4)。據(jù)稱(chēng)，已經(jīng)研發(fā)出的第一臺(tái)微縮3D相機(jī)樣機(jī)已在新型人機(jī)協(xié)作應(yīng)用中使用。
圖4 生物型調(diào)節(jié)助理系統(tǒng)應(yīng)能夠借助于微縮3D相機(jī)在一個(gè)空間內(nèi)辨認(rèn)情況，以便能夠避讓障礙
柔性機(jī)器人是智能化機(jī)器人技術(shù)
遵循線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人直接轉(zhuǎn)變?yōu)殪`活的作業(yè)人員的同事是一個(gè)范例性的改變。在此，順從的機(jī)器人應(yīng)能夠適用于各種綜合性的任務(wù)，而不只是順從，因?yàn)檫@樣的機(jī)器人由靈活的材料和具有彈性的部件組成。目前，德國(guó)的若干大學(xué)、研究院所和企業(yè)已經(jīng)在使用這樣的帶有生物優(yōu)點(diǎn)的機(jī)器人。例如，德國(guó)的KIT已經(jīng)在進(jìn)行如柔性機(jī)器人的人造皮膚研究、節(jié)拍式接近傳感器的應(yīng)用及便攜式機(jī)器人系統(tǒng)的研究課題的研究工作。
柔性機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)涵蓋實(shí)現(xiàn)直觀性、安全可靠性和靈敏性微目標(biāo)聯(lián)合性能的眾多科學(xué)定律的結(jié)合。在此，電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)相互融合。德國(guó)Fraunhofer-IPA的Martin Hügele說(shuō)：“還有精巧的折疊和層壓技術(shù)將引入機(jī)器人的新結(jié)構(gòu)。柔性機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)在可能的情況下也可以采取另外一種類(lèi)型的生產(chǎn)方式：取代傳統(tǒng)式的安裝，強(qiáng)化連續(xù)性生產(chǎn)方式，例如產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)能夠以增材制造的方法進(jìn)行制造，從而融合在一起?！边@種相互融合的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)是Festo生物型控制調(diào)節(jié)助理系統(tǒng)的特征。
柔性機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)景象目前還是未知的，因?yàn)橄嚓P(guān)的新規(guī)則還處于初始階段。但是，因?yàn)榫哂兄庇^性特點(diǎn)的柔性機(jī)器人比那些“執(zhí)拗型”設(shè)備更快地得到了人類(lèi)同事的認(rèn)可。?stergaard在談到UR的機(jī)器人時(shí)表示：“在生產(chǎn)制造中集成柔性機(jī)器人技術(shù)宣告了人機(jī)協(xié)作登上了一個(gè)新的臺(tái)階。這給人機(jī)協(xié)作賦予了更大的靈活性?！?/p>
在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人們不僅可使用柔性機(jī)器人技術(shù)，而且可對(duì)人機(jī)協(xié)作有很多新期待，這證明傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制系統(tǒng)在不斷的向前發(fā)展。Hindebrandt在展望未來(lái)時(shí)表示：“未來(lái)生產(chǎn)的特點(diǎn)是使用安全可靠的機(jī)器人，并實(shí)現(xiàn)無(wú)危險(xiǎn)性的人機(jī)交互。通過(guò)固有的特性或至少是借助于傳感器技術(shù)(節(jié)拍式傳感器/電容傳感器)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的安全可靠性。這樣，人們通常會(huì)認(rèn)可選擇能夠與人合作的機(jī)器人所要花費(fèi)的成本，并控制其在生產(chǎn)中的應(yīng)用?！?/p>
