新一代机器人正在重新定义人机交互，重写自动化在制造环境中的应用方式。协作型机器人可以完成各种重复性的组装任务，而且在不需要传统安全屏障的情况下，与人一起安全、智能地工作。
自50年前机器人首次出现在工厂以来，它们一直是自动操作的。但是，最近的安全标准和技术进步已经允许工程师们实现友好的功能，承诺提高生产率，增加机器人的使用。虽然世界各地的研究实验室仍在开发这项技术，但一些设备已经部署在生产环境中。
巴克斯特是最著名的合作机器人之一，两年前由Rethink Robotics Inc.推出。易于使用的交互式机器人被设计为处理轻有效载荷，并与人一起操作。它采用了先进的力传感技术、后向驱动电机和中等速度，降低了碰撞的可能性和影响。
Rethink Robotics的产品营销经理埃里克•福尔默(Eric Foellmer)表示:“我们认为，协作机器人可以与装配线上的人类同行进行互动，因为它非常简单，非工程师都可以手工培训它。”“传达它对任务的理解，说明它接下来要做什么，以及其他行为，让(机器人)‘只是线上的另一个工人’。”
Foellmer声称:“事实上，我们在描述Baxter时经常使用‘互动’而不是‘协作’这个词，因为‘协作’这个词的标准定义已经变得过于宽泛。”
弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所(Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation)机器人与辅助系统部门的小组经理马丁•诺曼(Martin Naumann)表示:“‘协作’一词是用来区分那些与人类协作的机器人，与那些在围栏后面工作、与人类没有任何直接互动的机器人。”“相比之下，铰接式、笛卡儿式、delta式和SCARA机器人区分不同的机器人运动学。
“ISO 8373定义了机器人的协作操作，我们使用这个术语的方式非常相似，”Naumann解释道。“在这里，‘协作机器人’指的是设计用于在一个确定的工作空间内与人类直接合作工作的工业机器人。
负责欧盟精益智能装配自动化(LIAA)项目的Naumann补充说:“根据当前的工作量，要么是一个人在工作场所组装小批量的特定产品，要么是额外安装一个机器人来支持人类。”“由于新的安全设计、新型安全技术的使用和创新安全策略的发展，这种工作空间共享成为可能。”
为期四年的LIAA项目于去年9月启动。该公司的目标是通过创建和实施一个框架，使人类和机器人能够在组装任务中一起工作，从而保持欧洲的组装工作。该联盟由弗劳恩霍夫牵头，由欧洲领先的研究机构、自动化组件和机器人供应商、技术供应商和最终用户组成。
“我们的总体目标是为组装应用开发具有成本效益的协作机器人系统，”Naumann说。“将为安全协作工作场所的设计、机器人的车间编程以及机器人和工人的直观交互开发具体的解决方案。最终，由此产生的机器人系统将显著提高目前手工装配工作场所的生产率，并将(人们)从乏味、非人体工程学的工作中解脱出来。”
协作的选项
协作机器人有多种形状和尺寸，包括人形、机械臂和SCARA配置。
像百特这样小巧灵活的人形机器人有两个铰接的手臂(每个能承受5磅的有效载荷)，配备有抓手和一个5 × 9英寸的LCD屏幕，屏幕安装在装有控制器的移动基座上。它使用摄像机、力、声纳和测距传感器来定位和抓取物体。
与传统机器人需要大量的软件编程不同，巴克斯特可以像人一样快速训练。装配工直接与机器人互动，教它完成任务。屏幕上显示了一对富有表情的眼睛，对与人类的各种互动做出反应。
福尔默说:“巴克斯特是目前同类机器人中最安全、最简单、最灵活、成本最低的。”“机器人本身就是界面，不需要教学挂件或外部控制系统。此外，百特是在美国制造的，这是一个特别吸引我们的许多客户寻求回到他们的生产业务。”
一家名为pi4 Robotics的德国公司开发了一款类似的产品，名为Workerbot。pi4 Robotics的总经理Matthias Krinke说:“它的脸是一种独特的交流界面，世界上任何地方的人都能很容易地理解它，这让任何文化背景的用户都能立刻感知到它的现状，而无需先研究它的使用说明书。”“这种移动设备可以很快被带到工厂的新工作场所，就像替身工人一样。”
机械臂提供了另一种性价比高的选择。Universal Robots A/S开发了UR5设备，使制造商能够轻松、廉价和灵活地实现自动化。它有一个半径为34英寸的六轴机械臂。这款机器人可以承受高达11磅的载荷。更大的型号UR10可以承受22磅的有效载荷，长度为51英寸。
“我们的产品比传统机器人更轻、更安全、更容易编程、更节能，”通用机器人公司(Universal robots)的首席技术官埃斯本·奥斯特加德(Esben Ostergaard)说。“先进的电子和电机控制技术使安全达到一个新的水平成为可能。”
一些SCARA机器人也已经部署了协作功能。例如，precision Automation的PF400就不需要任何安全防护。所有产生的力都是有限的，所以轻型机器人即使全速与人类相撞也不会伤害人类。
precision automation销售和运营副总裁布莱恩·鲍威尔(Brian Powell)表示:“(机器人)目前正被应用于自动化以前从未出现过的环境中，可以在装配线上、分析实验室的桌面上和临床诊断环境中与人类同行并肩工作。”
传统上，对于小型制造商来说，机器人不是一个划算的选择。然而，回流趋势促进了对成本更低、更安全、更灵活的自动化技术的需求，比如协同机器人。
由于种种原因，这种机器直到现在才投入商用。部分原因是技术驱动。一些关键部件直到最近才出现，比如Rethink Robotics公司的工程师发明的系列弹性驱动器，以帮助最小化巴克斯特的接触力。
Foellmer说:“随着时间的推移，计算机的处理能力已经得到了提高，现在复杂的控制算法可以更快地执行，从而实现更安全、响应更快的控制性能。”“此外，由于传感器等某些组件在消费电子设备中的广泛应用，它们的价格如今甚至比几年前还要低得多。”
安全第一
不断发展的安全标准是协作机器人成熟的另一个原因。去年，机器人工业协会(RIA)发布了一项新的安全标准，旨在解决人与机器人的协作问题。该标准已获得美国国家标准协会(ANSI)的认可。
根据ANSI/RIA R15.06-2012，机器人与人类的协作可以描述为五种类型的应用:移交窗口;界面窗口;协作工作空间;检查;和hand-guided机器人。
该标准规定，与人类合作的机器人需要满足以下四个标准中的至少一个:安全级别的监控停止;手指导;速度和分离监测;以及能量和力的限制。
弗劳恩霍夫的瑙曼指出:“可认证的安全性是将协作机器人系统应用于工业环境的最重要先决条件。”“满足安全标准化要求的可用解决方案往往表现出有限的性能或生产率提高，因为当今大多数实施的场景往往局限于非常静态的过程。
诺曼指出:“这意味着当人类进入或离开工作空间时，机器人的工作过程会严格地停止或停止。”“目前还没有安全可靠的3D传感器来实现人与机器人操作的动态切换，实现真正直接的合作。”
据诺曼说，LIAA项目的重点之一是“通过保持对机器人过程的经济利用，确保人与机器人协作场景中的人的安全。”一方面，这是通过考虑已经在设计阶段的装配系统的风险评估来实现的，以优化半自动化过程中的资源使用。
“另一方面，充分的安全措施，如视情况而定的速度限制，是在执行阶段被定义和监督的，”Naumann补充说。“然后，机器人系统的最大可能速度和功率可以在协作操作中尽可能长时间地保持活跃。”
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