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全方面解读协作机器人的发展历程、优势、挑战......

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导读

本文将对协作机器人的定义,发展历程、优势,市场定位、面临挑战等,以及协作机器人厂商与产品进行系统地梳理。

协作机器人作为工业机器人的一个细分领域,近年来取得了飞速发展,已成为业界备受关注的焦点。当前国内外已有不少于30家的机器人厂商推出了协作机器人产品,与此同时,协作机器人的安全性高、灵活易用、与人协作等特性,也极大的吸引了部分制造企业开始尝试将协作机器人引入到生产线,完成精密装配、检测、产品包装、打磨、机床上下料等工作。协作机器人市场正在迅速崛起!

什么是协作机器人?

当前,协作机器人已成为工业机器人领域的研究热点,但是对于协作机器人的定义尚未统一。

维基百科中是这样的定义的:协作机器人(collaborative robot),简称cobot或co-robot,是一种设计和人类在共同工作空间中能进行近距离互动的机器人。到2010年为止,大部分工业机器人是自动作业或是被安装在防护网中被人引导作业的。协作机器人则不同,它能和人类近距离接触,在生产生活中充当不同的角色,如在办公室环境下它可以是和人类一起工作的自主机器人,在工厂中它可以充当没有防护罩的工业机器人。

部分协作机器人厂商也对协作机器人有自己的见解。例如KUKA将LBR iiwa 机器人定义为可与人并肩作业的“智能型工业助手”;Universal Robots对协作型机器人的定义是一种易于安装和使用的能够与工人合作生产的轻型机器人;ABB则将协作型机器人YuMi定义为能够满足电子消费品行业对柔性和灵活制造的需求,可应用于小件装配作业(尤其是3C产品)的能与人协同作业的机器人 。

国际工业机器人安全标准ISO 10218-2中对协作机器人(Collaborative Robot)的定义是被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人,其中协作区域(Collaborative Workspace)是指机器人和人类可以同时工作的区域。协作机器人标准ISO/TS15066中进一步对“协同操作”(collaborative operation)进行了定义:特殊设计的机器人系统与操作人员在协同作业空间内进行的工作 。

综上所述,笔者认为协作型机器人可描述为:一种能够与人类在同一工作环境中并肩协同作业的新型工业机器人,其在设计之初就从安全性的角度为人机互动提供了安全保障,在构造和性能上兼具了人和机器各自的优点,尤其体现了人的灵活性和适应性。人机协作、安全性高、灵活易用是协作机器人的基本特征。

协作机器人的发展历程

1996年,协作机器人的概念由美国西北大学的2位教授J.Edward Colgate和Michael Peshkin首次提出,并申请了专利。而这一概念的提出,是基于1995年通用汽车基金会(General Motor Foundation)赞助的一个项目,试图找到一种方法使机器人变得足够安全以便可以和工人协同工作。

2005年,协作机器人开始迎来了发展契机。在当年3月,由欧盟第六框架计划资助的中小型企业(SME robot)项目开始实施。该项目旨在通过机器人技术增强中小型企业劳动力水平,降低成本,提高竞争力,减少离岸外包,由德国顶级自动化技术应用研究所之一——弗劳恩霍夫协会制造技术与自动化研究所(FhGIPA)负责承担,同时参与该项目的还有德国宇航中心(DLR)、瑞典隆德大学工程系(LTH)、其他大学及科研机构、IT公司、软件开发商以及咨询公司。

同年,协作机器人厂商Universal Robots在丹麦成立,公司创立的初衷是其创始人Esben.stergaard,Kasper St.y 和 Kristian Kassow在南丹麦大学一起做研究时,发现了中小企业对机器人的新需求(与当时丹麦政府主导的一项机器人计划也有关系);2008年,Rodney Brooks创立了Heartland Robotics(2012年更名为Rethink Robotics),其最初的目的也是为了帮助美国本土的SMEs提高生产效率,降低成本。因此,协作机器人最初的市场是中小企业(SMEs)。

值得一提的是,在2006年,日本安川电机公司机器人分部(Motoman)向欧洲市场引入了一种双臂机器人,其SDA系列与SIA系列轻型机械臂,与现在的主流协作机器人在结构与外观上非常相像。只是当时Motoman更倾向的是“机器换人”及“多机器人协作”,而非“人机协作”。

直到2009年,Universal Robots公司推出了一款机器人——UR5,全球首款协作机器人诞生。其实在UR5之前,绝大多数协作机器人都是在传统机器人的基础上改造的,而UR5才是第一个从产品设计伊始就以协作机器人的要求进行开发的机器人。

2012年,Rethink Robotics推出了双臂协作机器人Baxter,但并不是很成功。

自此之后,协作机器人市场大门被打开,不仅以“四大家族”为首的传统工业机器人企业纷纷将目标指向了这一新领域,KUKA的LBR iiwa(2013)、ABB的Yu Mi(2014)、FANUC的aR-35iA(2015)以及Motoman的HC10(2015)相继被推出,而且市场上也出现了越来越多的新创立的协作机器人公司。协作机器人的概念也被大家所认识和接受,并逐渐发展成为全球关注的焦点。

2016年,国际标准化组织针对协作机器人发布了最新的工业标准——ISO/TS 15066:Robots and robotic devices—Collaborative robots,作为支持ISO 10218的补充文档,该标准进一步明确了协作机器人的设计细节及系统安全技术规范,所有协作机器人产品必须通过此标准认证才能在市场上发售。由此,协作机器人在标准化生产的道路上步入正轨,开启了协作机器人的元年。

协作机器人的优势

1) 与人协作,充分发挥人与机器人的优势

与发展了几十年的工业机器人相比,协作机器人最大的突破在于它可以直接与人类并肩合作,而无需使用安全围栏进行隔离,这种方式不仅减少了人和机器人之间的距离,大大减少了工位所占的面积,更重要的是可以充分结合了人和机器的优势,彼此取长补短,让机器人辅助人类去完成那些高重复性、高精度的工作,而人类则解决灵活性高、不断优化的工作。在装配高精度的重型零部件时,人机协作便凸显出其将人和机器的的优点结合在一起的优势。

2) 安全性高

安全性高是协作机器人的基本特征之一,其在设计之初就以给人机互动提供安全保障为宗旨,因此为了实现人机协作的安全性,协作机器人一般采用轻量化设计,例如轻巧的体型、应用内骨骼设计方式等;限制运行速度和电机功率;应用用于接触检测的关节力矩传感器、安全控制器技术,等等方式,来保证人类的安全,是一种从根源上避免伤害的方式。

3) 部署简单、灵活易用

协作机器人一般支持拖动示教、配备直观的用户编程界面,集成操作简单、易掌握的软件系统以及模块化的编码器等,在大部分的场所开箱后普通的工人通过一定的训练就可以完成许多部署工作,因此部署简单。

此外,体型轻巧的协作机器人可以安装在桌面上,也可以安装在设备上,十分灵活。

4) 成本较低

工业机器人的成本一般包括机器人本身的价格和部署两方面。协作机器人的售价一般在10~20w,由于易于编程、安装等特性,部署的费用一般较低。另外,轻巧的协作机器人,对于空间的需求也大幅降低,可为企业减少许多安装和厂房成本。

据悉,一台主流场合使用的工业机器人,根据负载能力的不同,售价区间在10w~40w元,而在部署这一块成本就更高了,至少是机器人售价的2~3倍。

5) 支持柔性生产模式

协作机机器人冲破了安全护栏的限制,可以不受固定地理位置的约束,而是随着实际的需求,只需简单编程和训练,就能够在不同的地方快速适应新的生产任务,因此能够较好地支持柔性生产模式。即使出现机器人故障也能迅速由新的机器人来补充。

协作机器人与传统工业机器人应用比较

一直以来,传统工业机器人主要市场定位在大规模生产企业,来取代人工完成焊接、喷涂、搬运、堆垛等高重复性、高强度以及环境恶劣的工作,当前已广泛的应用于汽车、电子电气、橡胶及塑料等行业。

协作机器人诞生之初的目标市场即是资金不太充裕的中小企业,并且基于与人协作、安全性高、成本低、灵活易用等特性,也极大的满足了产品具有小批量个性化、更新换代速度快等特点的3C行业,以及对柔性生产具有极高要求企业的需求。

总的来说,协作机器人与传统工业机器人在应用方面,基于不同设计理念、定位,拥有各自的目标市场、制造模式与应用领域。

表:协作机器人与传统工业机器人应用比较

协作机器人面临的挑战

协作机器人作为一个新兴的领域,在发展的过程中面临着诸多的挑战。

(1)人才资源极其缺乏

机器人的产品开发是一个涉及多个专业的交叉学科,其在产品研制的价值链中涉及到产品的定义、硬件/软件系统的研发、安全功能的开发、产品的装配、质量控制等多个方面,并且与传统工业机器人相比,协作机器人在设计理念、制造过程等方面也有较大差别。当前,企业及高校均未(或刚刚起步)建立相关技术应用人才的有效培养体系,协作机器人方面的优秀人才极其缺乏。

(2)核心零部件稀缺

绝大多数协作机器人在设计上都要遵循轻量化安全设计准则,因此对关节集成度提出了非常高的要求,所需核心零部件也与传统工业机器人有很大区别,如中空伺服电机、模块化编码器、伺服驱动器、安全控制器等,正是这些核心零部件决定了一台协作机器人的结构及性能,当前很多关键零部件还没有实现大规模生产,不仅选择受限,价格也十分昂贵。

(3)易用性不够

尽管协作机器人提供如拖动示教、图形交互界面等,但据了解像UR、Sawyer等产品,他们所提供的图形界面也只能完成一些简单的Pick&Place任务,稍微复杂的工作还是会涉及到使用机器人语言进行编程,因此易用性方面还有待提高。

(4)市场认可度不高

协作机器人目前还处于市场导入阶段,要想在市场上站稳脚根,具有竞争力,对其性能、工作效率、投资回报比等多方面还需要市场的检验。

除此之外,目前对协作机器人系统的理论研究仍处于发展阶段,尚没有一套成熟的理论作指导;协作机器人的生产成本普遍较高,部分核心零部件需要专门订做;关于协作机器人的应用尚没有明确定位,协作机器人能干什么,最适合干什么,怎样跟人配合工作效率最高等,都没有一个定量的回答等等。

协作机器人厂商及产品盘点

自2009年全球首款协作机器人诞生以来,协作机器人市场如雨后春笋,传统工业机器人企业如ABB、KUKA、发那科、安川电机、博世、新松机器人等都推出了各具特色的协作机器人产品。与此同时,也涌现了一大批新创立的协作机器人公司。

1 Universal Robots

Universal Robots(优傲机器人公司)于2005年在丹麦成立,致力于为全球各种规模的企业生产安全、灵活和易于使用的6轴工业机械臂。Universal Robots于2009年推出了全球首款协作机器人。

优傲机器人公司共有三款协作机器人 —— UR3、UR5和UR10,这三款机器人形式相同,只是尺寸和负载有异。UR3自重仅为11公斤,但是有效负载却高达3公斤,工作半径50cm,所有腕关节均可360度旋转,而末端关节可作无限旋转;UR5自重18公斤,负载高达5公斤,工作半径85cm;UR10可负载10公斤,工作半径130cm,外接Teach Pendant控制器,支持拖动示教。价格是2.3到4.5万美元。于2015年3月最新推出的UR3灵活轻便(体型小功耗低)、并且可与工人一起肩并肩工作的台式机器人,可堆叠小型物体,进行粘合及拧紧等操作,并能使用工具,焊接并画画。

2 Rethink Robotics

Rethink Robotics公司成立于2008年,原名为Heartland Robotics,于2012年更名并推出了第一款协作机器人Baxter。Rethink Robotics协作机器人最具标志性的设计是让人印象深刻的友好笑脸——一块置于基座上方的显示屏。

这家美国公司的主力产品有双臂机器人Baxter和单臂机器人Sawyer。Baxter能完成一些高阶任务,如在产品线中移除有缺陷的产品,将完成品装进盒子,进行基本的质控检查。Baxter基础价2.5万美元,基座,抓取器和软硬件服务另算,使用寿命是3年,每周可工作40小时,在劳动力市场很有竞争力。

Sawyer是Rethink Robotics公司于2015年3月推出,较Baxter相比体型更小,自重19公斤,具备7个自由度,有效负载4kg,臂展126cm,比较擅长处理普通机器人无法处理的高精度工业任务,例如机器操控、电路板测试,售价2.9万美元。

3 ABB

ABB公司成立于1988年,是世界上最大的机器人制造公司,全球四大工业机器人厂商之一。ABB于2015年4月正式向市场推出了其首款实现人机协作的工业机器人YuMi。

ABB的协作机器人有双臂YuMi和单臂Roberta。YuMi整体重量 38kg,单臂7轴冗余设计(双臂14轴),有效负载 0.5kg,臂展500mm,外接IRC5控制器、支持拖动示教。主要是针对微小零部件组装。Roberta原为协作机器人公司Gomtec,于2015年初被ABB收购。Roberta是一组模块化6轴机器人,有定制无刷电机和谐波传动,还能附加安全传感器和关节转矩传感器

4 KUKA

德国库卡成立于1898年,全球四大工业机器人厂商之一。2013年KUKA与DLR联合推出了7轴轻型灵敏机器人LBR iiwa,并于2014年11月在中国首次发布。

LBR iiwa具有2种型号:LBR iiwa 7有效负载7公斤,自重约23.9kg,臂展800mm; LBR iiwa 14有效负载14公斤,自重约29.9kg,臂展820mm,2种机器人均外接KUKA smartPAD 控制器,支持拖动示教。LBR iiwa特别适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业如电子、医药、精密仪器等工业,但价格较贵,一般在10万美元以上。

5 发那科(Fanuc)

发那科成立于1956年,是世界上最大的专业数控系统厂家,全球四大工业机器人厂商之一。发那科在2014年4月发布了六轴协作机器人CR-35iA,于2015年11月在中国推出。

发那科的协作机器人产品线包括CR-35iA,CR-4iA、CR-7iA及CR-7iA/L。CR-35iA有效负载35kg,自重990kg,臂展1813mm,外接R-30iB控制器,支持拖动示教,主要适用于重型机械包装和码垛;CR一4iA、7iA及7iA/L是以CR 35iA为基础设计的适用于轻型货物和更窄工作空间的协作机器人,负载/臂展分别为4kg/550mm、7kg/717mm以及7kg/911mm。

6 安川电机(Yaskawa)

日本安川电机(Yaskawa),全球机器人四大家族之一。于2015年12月的推出了第一款协作机器人MOTOMAN-HC10。

安川的协作机器人产品除了HC10,还包括小型6轴机器人MotoMINI。HCl0有效负载10kg,臂展1200mm,外接YRC1000控制器,支持拖动示教。MotoMINI自重4.3kg,臂展246mm,有效负载500g,反复定位精度达到了了±0.02mm(参考值),主要特点是小,每个轴都采用功率低于80W的马达,应用方向在3C电子、手表装配等一些轻小型产品制造业。

7 博世(Bosch)

博世(Bosch)是德国的工业企业之一,全球第一大汽车技术供应商。在2014年10月,博世推出了其首个协作机器人解决方案APAS。APAS是协作机器人中首个获得认证的助理系统,可以协助人类工作,且无需任何额外的防护。

8 Bionic Robtics

Bionic Robtics是一家德国公司,其推出了轻量级单臂机器人BioRob。BioRob自重6kg,可搬运重量为500g,重复精度在0.02mm以下。售价为1.7万欧元,约合12.6万元人民币。

9 F&P Robotic

F&P Robotic,瑞士协作轻型机器人的先驱,公司的协作机器人主打安全和功能,有情境感知能力,包装上用的柔性材料,有控制性的力传感器,电机扭矩可被控制器控制。软件使用深度学习技术,可根据人类反馈提升工作能力。推出的协作机器人为P-Rob。

P-Rob 2是F&P Robotic推出的第二代协作机器人。P-Rob 2(普通版)自由度:6 高度:1137.5 mm 重量:20 kg 工作范围:775 mm (不包含夹具)

10 pi4_robotics

pi4_robotics,德国机器视觉系统、自动检测系统和机器人领导厂商。推出的协作机器人为workerbot MD850、MD1300。Workerbot用于装配和材料搬运,具有视觉和可选语音输出系统。采用力量检测以防止对工人造成伤害,并拥有传统工业机器人的安全功能接口,例如激光扫描仪或围栏,界定一个安全的工作区域。

11 遨博智能

遨博(北京)智能科技有限公司成立于2015年,前身为Smokie Robotics,推出的第一代协作机器人为OUR-1。在2015年,第二代AUBO-i5全球上市。

AUBO-i5自重24kg,最大负载5kg,自由度6,重复定位精度±0.05mm,工作半径880mm,外壳材料为铝合金 各轴最大速度不超过180度每秒。

12 新松机器人

新松机器人自动化股份有限公司,是全球机器人产品线最全的厂商之一,国内最大的机器人产业化基地。于2015年11月推出了国内首台7自由度协作机器人。

新松的协作机器人有单臂7轴柔性多关节机器人和双臂协作机器人。7轴柔性多关节机器人具备快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测等功能,特别适用于布局紧凑、精准度高的柔性化生产线,满足装配、产品包装、打磨、检测、机床上下料等工业操作需要。双臂机器人负载5Kg 重复定位精度±0.02mm,擅长旋拧、定位等精密装配工作。

13 深圳市大族电机科技有限公司

深圳市大族电机科技有限公司成立于2005年,是国内直驱电机的领先者,大族激光科技产业集团股份有限公司的控股子公司。其推出了单臂协作型六轴机器人Elfin机械手。

Elfin自重21kg,有效负载5kg,工作范围800mm,可重复精度±0.1mm,关节范围±360度,关节速度90度每秒,自由度6轴,外壳主要材料是铝合金。

附:国内外协作机器人厂商及产品

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