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協(xié)作機器人的起源_為什么需要協(xié)作機器人

協(xié)作機器人只是整個工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈中一個非常重要的細分類別，有它獨特的優(yōu)勢，但缺點也很明顯：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(tǒng)機器人的三分之一到二分之一。本文將嘗試解答以下問題：為什么需要協(xié)作機器人？協(xié)作機器人的起源？協(xié)作機器人與傳統(tǒng)機器人有什么區(qū)別？為什么需要協(xié)作機器人？協(xié)作機器人的興起意味著傳統(tǒng)機器人必然有某種程度的不足，或者無法適應(yīng)新的市場需求。總結(jié)一下，主要有三點：傳統(tǒng)機器人部署成本高其實相對來講，工業(yè)機器人本身的價格并不高。主流場合使用的機器人，根據(jù)負載能力不同，售價區(qū)間在￥10w~￥40w。一般情況下一臺機器人的使用使用壽命在5~8年，作為比較高端的工業(yè)設(shè)備來講并不算貴。傳統(tǒng)機器人貴在其部署（將機器人安裝到工廠并正常運行）成本上，原因有兩個：目前的工業(yè)機器人主要負責(zé)工廠中重復(fù)性的工作，這依賴于其非常高的重復(fù)定位精度（重復(fù)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），以及依賴固定的外界環(huán)境。為了保證這一點，除了機器人本身的設(shè)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地方準確的拿取或者執(zhí)行某項操作。對于現(xiàn)代復(fù)雜的流水線作業(yè)來講，在整個產(chǎn)線上為每一個使用機器人的工序都設(shè)計這些固定的外界環(huán)境需要耗費大量的資源，占用大片寶貴的車間面積以及長達數(shù)月的實施時間。機器人的使用難度較高，只有經(jīng)過培訓(xùn)的專業(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，普通用戶很少具備這樣的能力。將之前以工人操作為主的流水線，變?yōu)橛蓹C器人和自動化設(shè)備為主的生產(chǎn)線，是一個系統(tǒng)工程，絕大多數(shù)終端工廠客戶并不具備這樣的能力，因此就需要一個第三方的角色來完成這部分工作，這個第三方即系統(tǒng)集成商，來根據(jù)客戶現(xiàn)場的實際情況，來完成機器人的最終部署。系統(tǒng)集成商的工作至少包括：生產(chǎn)線的自動化改造方案（流程、設(shè)備布局、人員配置等）機器人外圍支持設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝。符合工藝要求的機器人編程、調(diào)試?？蛻艏夹g(shù)團隊的培訓(xùn)。以及后續(xù)的售后維護工作。根據(jù)很多業(yè)內(nèi)機構(gòu)和前輩統(tǒng)計的數(shù)字，整個機器人部署/集成應(yīng)用的費用大概是機器人售價的3~4倍。近幾年隨著國內(nèi)集成商的迅速擴軍，競爭越來越激烈，整體價格有所下滑，但也基本在2~3倍。以常見的弧焊工作站為例，采購一臺進口品牌的弧焊機器人價格約在11~15w之間，但是經(jīng)過系統(tǒng)集成商這一層之后，整體報價不會低于30w，個別夸張的甚至能報到100w。在工資相對較高的長三角和珠三角地區(qū)，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不會少于2年，很多中小企業(yè)主對機器人會選擇猶豫和觀望。如果使用機器人的機器人比較多，則大部分情況下需要對原有的生產(chǎn)線進行改造，甚至重新建設(shè)，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)線上的大部分設(shè)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(shè)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)線無法直接滿足新產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，這就涉及到機器人系統(tǒng)的重新設(shè)計和部署，這部分的工作量有時會接近首次部署。簡而言之，單獨的機器人無法直接用于工廠的生產(chǎn)線上，還需要很多外圍設(shè)備的支持。雖然機器人本身是一種高柔性、高靈活性的設(shè)備，但整個生產(chǎn)線不是，一旦涉及生產(chǎn)線變動，費用很高。無法滿足中小企業(yè)需求中小企業(yè)是目前機器人新興市場的主要客戶，目前傳統(tǒng)的工業(yè)機器人無法很好的滿足SME的需求。傳統(tǒng)工業(yè)機器人的目標市場是可以進行大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)。大規(guī)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)過程的分解、流水線組裝、標準化零部件、大批量生產(chǎn)和機械式重復(fù)勞動等為主要特征。有能力進行大規(guī)模生成的企業(yè)，對機器人系統(tǒng)高額的部署費用相對不敏感，因為在產(chǎn)品定型之后，在足夠長的時間內(nèi)生產(chǎn)線可以不做大的變動，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，實現(xiàn)投資價值最大化。汽車行業(yè)是大規(guī)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的工廠中，負責(zé)沖壓零件的搬運工作。到今天，汽車行業(yè)仍然占據(jù)了全球機器人出貨量的40%以上：一款新車從發(fā)布到退出市場，一般會經(jīng)歷3~6年時間。這期間，即使有改款，也只是對外觀、內(nèi)飾進行微調(diào)，這些變動一般不會影響到機器人的工作（車身焊接、噴漆、主要零部件搬運），因此在機器人的整個生命周期基本上不需要對已經(jīng)完成的生產(chǎn)線進行改動或者對機器人進行重新部署，只需要正常的維護即可，發(fā)揮了機器人的優(yōu)點，避開了它的缺點。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，沒有太多的資金對生產(chǎn)線進行大規(guī)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、簡單上手的使用方法，而這些，傳統(tǒng)機器人很難滿足。此外，在某些機器人應(yīng)用的新興行業(yè)中，即使是大企業(yè)也面臨與中小企業(yè)同樣的問題，3C產(chǎn)業(yè)是這個方面的典型代表。 3C市場中如手機、平板、可穿戴設(shè)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，短的甚至只有幾個月。如果采用傳統(tǒng)機器人方案，投入大量資源，耗費數(shù)月建設(shè)的生產(chǎn)線可能連成本的零頭還沒收回，所生產(chǎn)的產(chǎn)品就該退市了。而如果對生產(chǎn)線再進行改造，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)很多時候更關(guān)心時間，常見機器人自動化改造方案耗時1個月到數(shù)個月不等，但3C產(chǎn)品無法在每一次換代都等待這么久。那邊蘋果說“下個月開始生產(chǎn)iPhone7的外殼”，你這邊說“先等我1個月把生產(chǎn)線改造一下”，顯然是不現(xiàn)實的，這些情況下還是人靠譜，培訓(xùn)3天，立馬上崗。無法滿足新興的協(xié)作市場工業(yè)機器人一直以來都是高精度、高速度自動化設(shè)備的典范，但是由于歷史和技術(shù)原因，與人在一起時的安全性不是機器人發(fā)展的重點，因此在絕大多數(shù)工廠中出于安全性考慮，一般都要使用圍欄把機器人和人員進行隔離。幸好對于大部分之前機器人所從事的工作來講，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，很多其他以前沒有或很少使用機器人的行業(yè)開始尋求機器人自動化解決方案，例如之前提到的3C行業(yè)，還有醫(yī)藥、食品、物流等行業(yè)。這些新興行業(yè)中的特點是產(chǎn)品種類很多、體積普遍不大、對操作人員的靈活度/柔性要求高?，F(xiàn)有的機器人很難在成本可控的情況下給出性能滿意的解決方案，那怎么辦？機器人不行的，人來補充嘛，我們搞人機結(jié)合。由人類負責(zé)對柔性，觸覺，靈活性要求比較高的工序，機器人則利用其快速、準確的特點來負責(zé)重復(fù)性的工作。比如組裝鍵盤，可以由機器人把鍵帽放置到位，人來進行卡扣的工作；再比如組裝手機/電腦，機器人負責(zé)把主要零配件、螺絲放到合適的位置，人來負責(zé)排線安裝，卡扣，擰螺絲的工作。但是如果二者要合作，中間還要隔一個柵欄就太不方便了，人和機器人之間要進行交互，還要先通過安全門，整體效率還不如單獨使用人來得高。這個時候就需要一些額外的技術(shù)來保證機器人與人類可以安全的在同一個區(qū)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。各大機器人廠商的機器人都配備有各自的安全技術(shù)，例如ABB的SafeMove，F(xiàn)anuc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、檢測到有人靠近時自動停止，仍然不算是完整的協(xié)作安全技術(shù)。協(xié)作機器人的起源為了準確定義協(xié)作機器人，先看兩個名詞。協(xié)作區(qū)域指機器人和人類可以同時工作的區(qū)域，協(xié)作機器人指被設(shè)計成可以在協(xié)作區(qū)域內(nèi)與人直接進行交互的機器人。前面已經(jīng)說過，中小企業(yè)SMEs是協(xié)作機器人的非常重要的客戶群，而協(xié)作機器人的興起也與SMEs密不可分。在2005年，開始于2005年，由EUFP6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力離岸（offshore）輸出到低勞動成本國家的方法。其主要的論點是，如果通過機器人技術(shù)增強SMEs的勞動力水平，降低成本，提高競爭力，就可以避免勞動力外包的情況（將工作機會留在國內(nèi)）。因此，協(xié)作機器人（co-bots）最初的市場就是中小企業(yè)（SMEs）。同年Esben.stergaard，KasperSt.y和KristianKassow在南丹麥大學(xué)一起做研究時創(chuàng)辦了UniversalRobot，現(xiàn)在的CEOEsben.stergaard當(dāng)時是南丹麥大學(xué)的助理教授，三個人發(fā)現(xiàn)了中小企業(yè)對機器人的新需求（也與當(dāng)時丹麥政府主導(dǎo)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(shù)協(xié)作機器人都是在傳統(tǒng)機器人的基礎(chǔ)上改造的，UR5是第一個從產(chǎn)品設(shè)計伊始就以協(xié)作機器人的要求進行開發(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，慢慢開始落后于UR，去年秋天推出了新款的單臂Sawyer機器人，市場接受度如何還有待觀察。在UR和Rethink之后，成長出一大批新創(chuàng)立的協(xié)作機器人公司，市場上的協(xié)作產(chǎn)品也越來越多，協(xié)作機器人的概念開始慢慢被大家所認識和接受。協(xié)作機器人與傳統(tǒng)機器人有什么不同？本質(zhì)上講，協(xié)作機器人與傳統(tǒng)機器人之間并沒有非常大的不同，只是基于不同的設(shè)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(tǒng)機器人的基礎(chǔ)上改造的。如果非要找不同，第一個不同是這兩種機器人所面向的目標市場不一樣，這個前面已經(jīng)解釋過，不再贅述。第二個不同點是二者替代的對象不一樣。以傳統(tǒng)機器人為主的自動化改造是用生產(chǎn)線代替生產(chǎn)線，機器人做為整個生產(chǎn)線中的組成部分，很難單獨拿出來，如果某個環(huán)節(jié)的機器人壞了，在沒有設(shè)計備份的情況下，整個產(chǎn)線可能要停工。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，一個協(xié)作機器人壞了，挪開找個人代替就好了，整個生產(chǎn)流程的靈活性非常高。講了這么多全是說優(yōu)點，既然協(xié)作機器人這么好，那是不是可以取代傳統(tǒng)機器人了？當(dāng)然不是，協(xié)作機器人只是整個工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈中一個非常重要的細分類別，有它獨特的優(yōu)勢，但缺點也很明顯：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(tǒng)機器人的三分之一到二分之一；為了減少機器人運動時的動能，協(xié)作機器人一般重量比較輕，結(jié)構(gòu)相對簡單，這就造成整個機器人的剛性不足，定位精度相比傳統(tǒng)機器人差1個數(shù)量級；低自重，低能量的要求，導(dǎo)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(dāng)，很多場合無法使用。借用Rethink Baxter的一句宣傳語，協(xié)作機器人的目標應(yīng)用場合可以概括為：協(xié)作機器人最終將變成一個過渡概念，隨著技術(shù)的發(fā)展，未來所有的機器人都應(yīng)該具備與人類一起安全的協(xié)同工作的特性。本質(zhì)安全應(yīng)該是理想機器人的必備且基礎(chǔ)的特征。就像我們現(xiàn)在不再區(qū)分黑白電視和彩色電視而統(tǒng)稱為電視，不再區(qū)分功能機和智能機而統(tǒng)稱為手機，未來所有的機器人也將不再區(qū)分協(xié)作與非協(xié)作，而統(tǒng)稱為機器人。

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