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我們為什么需要協作機器人?
瀏覽量:851 上傳更新:2019-03-29

一、協作機器人的起源

首先我們先來了解一下協作機器人的簡單歷史。為了準確定義協作機器人,先看兩個名詞:

協作區域(Collaborative Workspace) ,指機器人和人類可以同時工作的區域,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.

協作機器人(Collaborative Robot) ,指被設計成可以在協作區域內與人直接進行交互的機器人,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(Small and medium-sized enterprises,SMEs)是協作機器人的非常重要的客戶群,而協作機器人的興起也與SMEs密不可分。

SME Project(http://www.smerobot.org/index.php)開始于2005年,由EU FP6(Framework Programme 6)項目資助,參與的企業包括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)。因此,協作機器人(co-bots)最初的市場就是中小企業(SMEs)。

同年Esben 01stergaard, Kasper St03y 和 Kristian Kassow在南丹麥大學一起做研究時創辦了Universal Robot,現在的CEO Esben 01stergaard當時是南丹麥大學的助理教授,三個人發現了中小企業對機器人的新需求(也與當時丹麥政府主導的一項機器人計劃有關),并在2009年推出了第一款協作機器人UR5。

在UR5之前的絕大多數協作機器人都是在傳統機器人的基礎上改造的,UR5是第一個從產品設計伊始就以協作機器人的要求進行開發的機器人。

之后不久(2008年),Rodney Brooks創辦了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,成長出一大批新創立的協作機器人公司,市場上的協作產品也越來越多,協作機器人的概念開始慢慢被大家所認識和接受。

二、為什么需要協作機器人?

協作機器人的興起意味著傳統機器人必然有某種程度的不足,或者無法適應新的市場需求。

總結一下,主要有三點:

1、傳統機器人部署成本高

其實相對來講,工業機器人本身的價格并不高。主流場合使用的機器人,根據負載能力不同,售價區間在¥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設備來講并不算貴。

傳統機器人貴在其部署(將機器人安裝到工廠并正常運行)成本上,原因有兩個:

目前的工業機器人主要負責工廠中重復性的工作,這依賴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),以及依賴固定的外界環境。為了保證這一點,除了機器人本身的設計要求之外,還需要待加工的產品放在固定的位置,以便機器人每次都可以到同一個地方準確的拿取或者執行某項操作。對于現代復雜的流水線作業來講,在整個產線上為每一個使用機器人的工序都設計這些固定的外界環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月的實施時間。

機器人的使用難度較高,只有經過培訓的專業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,變為由機器人和自動化設備為主的生產線,是一個系統工程,絕大多數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,這個第三方即系統集成商(System Integrator,計算機行業也存在類似分工的企業,從本質上來講做的事情是差不多的),來根據客戶現場的實際情況,來完成機器人的最終部署。

系統集成商的工作至少包括:

生產線的自動化改造方案(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

客戶技術團隊的培訓

以及后續的售后維護工作

根據很多業內機構和前輩統計的數字,整個機器人部署/集成應用的費用大概是機器人售價的3~4倍。近幾年隨著國內集成商的迅速擴軍,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,但是經過系統集成商這一層之后,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,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,很多中小企業主對機器人會選擇猶豫和觀望。

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線進行改造,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,因為每一條生產線上的大部分設備(末端工具、非標機械、控制流程等)都是針對特定的產品設計的,如果涉及到中途變更生產需求,很大概率上之前的生產線無法直接滿足新產品生產的需求,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線上,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,但整個生產線不是,一旦涉及生產線變動,費用很高。

2、傳統機器人無法滿足中小企業需求

中小企業是目前機器人新興市場的主要客戶,目前傳統的工業機器人無法很好的滿足SME的需求。

傳統工業機器人的目標市場是可以進行大規模生產的企業。

大規模生產是20世紀最流行的資本主義生產方式,以生產過程的分解、流水線組裝、標準化零部件、大批量生產和機械式重復勞動等為主要特征。

有能力進行大規模生成的企業,對機器人系統高額的部署費用相對不敏感,因為在產品定型之后,在足夠長的時間內生產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,實現投資價值最大化。

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

一款新車從發布到退出市場,一般會經歷3~6年時間。這期間,即使有改款,也只是對外觀、內飾進行微調,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完成的生產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,發揮了機器人的優點,避開了它的缺點。

而中小企業則不一樣,它們的產品一般以小批量,定制化,短周期為特征,沒有太多的資金對生產線進行大規模改造,并且對產品的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,傳統機器人很難滿足。

此外,在某些機器人應用的新興行業中,即使是大企業也面臨與中小企業同樣的問題,3C(Computer、Communication和Consumer Electronics)產業是這個方面的典型代表。

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

除了資金投入,3C行業很多時候更關心時間,常見機器人自動化改造方案耗時1個月到數個月不等,但3C產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iPhone7的外殼”,你這邊說“先等我1個月把生產線改造一下”,顯然是不現實的,這些情況下還是人靠譜,培訓3天,立馬上崗。

3、無法滿足新興的協作市場需求

工業機器人一直以來都是高精度、高速度自動化設備的典范,但是由于歷史和技術原因,與人在一起時的安全性不是機器人發展的重點,因此在絕大多數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開始尋求機器人自動化解決方案,例如之前提到的3C行業,還有醫藥、食品、物流等行業。

這些新興行業中的特點是產品種類很多、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,我們搞人機結合(不要想歪了)。

由人類負責對柔性、觸覺、靈活性要求比較高的工序,機器人則利用其快速、準確的特點來負責重復性的工作。

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,機器人負責把主要零配件、螺絲放到合適的位置,人來負責排線安裝,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來保證機器人與人類可以安全的在同一個區域工作,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,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、檢測到有人靠近時自動停止,仍然不算是完整的協作安全技術。

三、協作機器人與傳統機器人有什么不同?

本質上講,協作機器人與傳統機器人之間并沒有非常大的不同,只是基于不同的設計理念生產的工業機器人產品,在協作機器人發展初期,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。 以傳統機器人為主的自動化改造是用生產線代替生產線,機器人做為整個生產線中的組成部分,很難單獨拿出來,如果某個環節的機器人壞了,在沒有設計備份的情況下,整個產線可能要停工。而協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,一個協作機器人壞了,挪開找個人代替就好了,整個生產流程的靈活性非常高。

講了這么多全是說優點,既然協作機器人這么好,那是不是可以取代傳統機器人了?

當然不是,協作機器人只是整個工業機器人產業鏈中一個非常重要的細分類別,有它獨特的優勢,但缺點也很明顯:

為了控制力和碰撞能力,協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時的動能,協作機器人一般重量比較輕,結構相對簡單,這就造成整個機器人的剛性不足,定位精度相比傳統機器人差1個數量級;

低自重,低能量的要求,導致協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,很多場合無法使用。

借用Rethink Baxter的一句宣傳語,協作機器人的目標應用場合可以概括為:

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

協作機器人最終將變成一個過渡概念,隨著技術的發展,未來所有的機器人都應該具備與人類一起安全的協同工作的特性。

本質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為電視,不再區分功能機和智能機而統稱為手機,未來所有的機器人也將不再區分協作與非協作,而統稱為機器人。

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