作者：曹小胖
新一代的机器人正在征服整个工业。他们不再躲在高高的防护网之内，晃动着焊钳，进行焊接工作，而是从一开始的规划和设计中就被定义了新功能—与人类协同合作。新一代的机器人对比现在的工业机器人更具人身安全性，在此基础上，他们的设计更为轻便，可以感触到人类的活动并及时适应自己所处的环境变化。这样的话，员工总是处于最安全的位置，避免受到由机器人所引起的伤害。人机协作是当今机器人领域发展中最为盛行的一个发展趋势，因此也成为了2017年度机器人大会的主要课题。
从理论到实践：人机协作是不是已经运用到了实践过程当中？既然安全和生产效率的话题在人机协作运用中起着决定性的作用， 如何判断新一代的机器人到底是不是安全？是不是当一个机器人在接触到人类的时候马上停止就足够安全了，还是安全度相对于每一个实际应用有不同的定义？一个生产效率高的机器人，是不是可以同时兼备极高的安全性能？抑或生产效率和安全永远是鱼和熊掌不可兼得？
本文将从人机协作的现状分析，应用实例，优势与挑战，前景展望的角度全方位解读当今工业4.0/智能制造的关键技术领域——人机协作。
工业机器人的现状解析以及发展趋势展望
从应用领域来看，2016年的数据显示，全球的工业机器人安装案例，50%应用于装卸、移动和堆垛；25%应用于焊接工序；10%的应用在装配工位；4%应用于喷漆以及表面处理； 而只有2%是应用于机加工。数据体现出：当前的工业机器人主要应用在技术智能化程度低，高重复度的简单工序中，而在精密加工中的应用还处在初级阶段，开发潜能巨大。
从应用程度来看：自2001年起至2015年，全球工业机器人的应用从01年的75000案例到2015年的253000案例，15年间翻了三番。据专家推测至2019年全球的工业机器人安装案例将飙升至414000。
从各个国家的分布来看，从2011年开始中国成为全球最多安装案例国家，在2019年中国将远远超过德国、日本、欧洲和北美，占据全球36%的安装案例。但就机器人使用密度(每一个工业机器人在1万员工的使用比率)而言，与日本、德国、北美和韩国等机器人集中应用于高自动化汽车行业的密度相比，中国汽车行业的机器人使用密度却还远远低于以上几个国家。在“中国制造2025“的规划中，从2016年到2020年将有65万新的工业机器人被安装使用。
工业机器人作为未来的重要生产工具，目前有六大技术发展趋势。首当其冲是人机协作，这个我们之后会继续详细介绍；接下来是机器人与CAD/CAM数据互相连通，随着大数据和云计算技术的成熟以及PLM、ERP、MES、CRM纵横数据的贯通，CAD/CAM数据直接和工业机器人进行连接，减少生产准备时间，提高数据传输质量和生产效率; 第三个趋势是提高投资回报率，随着机器人产能扩张，应用数量大幅增加，所有机器人以及总体设备的成本降低，对应于全球人工的成本增加，机器人应用的投资回报率将明显提升; 第四个趋势是智能传感器的应用，为了提升新一代人机协作机器人的生产效率，同时保障安全性能，智能传感器的技术将为未来优化人机协作铺平道路; 第五个趋势是机器人的感官认知能力的增强，随着工作环境的计划变化或突发变化，机器人必须要运用自身的感官认知能力去及时应对改变的环境; 第六种趋势是简化机器人编程，可以有人来教机器人去学习各种各样的技能和操作顺序，然后机器人来选择最优路径，并考虑与其他部件的干涉性来进行重复性的工作，以减少编程的复杂性和难度。
提高投资回报率，降低成本，是以上提到的工业机器人的第三个技术趋势。我们可以通过以上的图表可以看到，自1990年开始到2014年，工业机器人的成本在美国和德国平均成本至少降低了50%，在2014年，一个美国工业机器人的平均成本为44000美元，与此同时，随着科技的发展，机器人的很多性能得到进一步提高，具体体现在精确性、速度、负载、编程、控制、诊断、传感器方面。
除了机器人本身的成本，还有整个系统的集成成本影响着机器人项目的投资回报率。机器人的成本与整个系统的成本比例，以点焊机器人系统为例，约为1:4到1:5。在2014年，小型点焊机器人以33000美元为基点，所有的安全防护措施及传感器的成本为45000美元，系统的编程安装以及集成为46000美元，项目管理为9000美元。随着工业机器人广泛运用，硬件，编程以及集成成本在未来的五年及十年内会大幅度下降，到2025年，机器人的成本会缩减到28000美元，安全防护措施会减少到36200美元，编程以及安装费用会减少到33200美元，项目管理费用会减少到7000美元。
人机协作及其应用前提
到底人机协作是什么人机协作分嗯？分几个层次，嗯人机协作和，俄现有的工业机器人的生产方式有什么区别？现在我们开始给大家做一些介绍，首先第一步，嗯，是，现在传统的工业机器人是在一个有安全护栏网恩之内的一种全自动的生产方式，他与人没有任何的接触，当人当人当人要进入，俄方i或南区的时候，按机器人停止工作，这个是第一个层面，我们称之为单元单元层面，或者说是隔绝的工作方式。第二个层面，我们称之为共存层面，意思指的是，嗯，机器人有自己的独立的工作范围人类有自己的独立工作范围，两者互不干涉，互不交集。但是两者都同都会嗯，对于恩在生产钢管生产产品a，同时按都会嗯嗯使用于生产产品。第三个层面称之为，嗯。同步生产方式，意思是指，嗯，人类和机器一起嗯在嗯，一起参与生产n产品，人的操作机，人的操作，而范围和机器的操作范围有一定的交集，但是，嗯，两者不同时工作，而是是有一定的次序。也就是意味着在同一工作区域嗯，或者机器臂机械手在工作，或者仍在工作，不会两者同时工作。第四种嗯，方式被称之为合作方式，恩与前一阵前一种方式类似的地方在于二人和机器都是在一个共同有一个共同的，工作区间，有共同的交集，鳄鱼，前者不同的是安全，真是有。前者，前者是嗯，人和机器不同时在同一工作区间工作，但到了合作园合作层面，人和机器在同一个层面工作，只是嗯，只是工作的产品会是不同的产品。最高的层面就是我们所称的人机协作的层面就是恶人和机器手同时在同一个区间，嗯，同时嗯嗯生产，同一个产品。到底人机协作是什么? 人机协作分哪几个层次? 人机协作和现有的工业机器人的全自动生产方式有什么区别？现在我开始给大家一一道来。首先第一层面，被称为封闭式单元层面，即传统的工业机器人处于高高的安全护栏网之内，进行全自动生产，它与人没有任何的接触，当人打开安全门要进入机器人工作区域的时候，机器人马上停止工作，人的作用只是操作，监控以及排除故障，不参与直接生产，是一种隔离式的工作方式。第二个层面便开始了人机协作的初始层面，与传统工业机器人不同的是，人机协作处于一个开放式的工作环境，人与机器有间接或直接的接触，共同参与生产。第二个层面被称之为共存层面，意思指的是，虽然有开放的工作环境，机器人与人都参与生产，但两者有自己独立的工作范围，两者不生产同一件产品，两者互不干涉，互不交集，中间或有光栅，或有传感器，摄像头来判断人与机器操作空间的距离，当人与机器人进行产品交接时，机器人暂缓或者停止运动，确保人身安全。此层面对于机器人无需太高安全要求，借助系统集成的安全方案可以使系统安全运作，但为此付出的代价是牺牲机器人的生产效益，因为工人在接近机器人的过程中出于安全原因被迫减缓速度或者停止运动。第三个层面称之为同步层面，意思是指，除了自己的生产区域工作以外，人和机器人还拥有一个有共同交集的生产区域，两者一起同步参与生产产品，但在交集区域，只有人或者机器人在同一时间内进行操作，按照工作内容的分工分别进行生产。当人在交集区域操作的时候，机器人在属于自己的工作范围内进行操作，不可以进入该区域，当人离开此区域后，机器人可以在此区域进行生产，与此同时人可以在自己的区域里面生产。当人在此时进入交集区域时，机器人处于安全考虑减缓速度或者停止运动。第四层面被称之为合作层面，它克服了第三层面有交集区域但不能同时工作的缺陷，可以使人和机器人在同一个交集区域同时工作，机器人不会停止运动，因为人和机器人不同时在同一个部位生产，彼此合作却不互相影响。第五层面，即是最高的层面，也是真正意义上的协作层面，代表着人和机器人在同一个区间，同时，在同一个产品协作生产。
目前90%的实际应用集中在第一至第三层面，分水岭在于人和机器人是不是在同一交集区域工作。
人机协作的应用前提，完全取决于生产产品的数量和产品品种的多少。一方面，当产品的数量对于全自动生产的方式而言太少，但对于人工生产方式而言过多，另一方面，当产品的品种种类对于全自动的生产方式而言太繁多，但对于人工生产方式而言又太单一，当这两个条件同时符合的时候就是人机协作的大施拳脚之际。随着工业4.0深入发展，智能产品层出不穷，产品会朝个性化、多样化发展，取代原先批量生产、品种单一的特征。人机协作也是在这样的大前提下应运而生，成为除了全自动、半自动、人工生产方式以外的第四种生产方式。
人机协作的优势
前面到了人机协作的分层，那接下来就给大家介绍一下人机协作所具有的明显优势。
缩短距离
在讲述封闭式单元层面的时候，就已经提到现有传统工业机器人是在高高的安全护栏网之内进行生产，而人机协作的第一个优势就是去除了那些高高的安全互联网，将人和智能机器人融为一个整体，从而减少了人和机器人之间的距离。这也是意味着，整个工位的面积会大大减少，物料的上料下料以及物料在工位里面的流动会变得更加简单和容易，并且有效地减少了员工走动，搬运的辅助时间。
优化人体工程学
人机协作的第二个优点是，是充分结合了人和机器的优势，彼此取长补短，优化了整个工位的人体工程学。因为机器的优势在于它持久性长，精确度高，有极其稳定的力量、位置和速度的调控能力，人的优势是极其敏感，认知能力强，积累了丰富经验，通过吸取教训提升自身能力，并且能够对于突发的情况进行控制和下决策。在装配高精度的重型零部件时，人工协作便凸显出其将人和机器的的优点结合在一起的优势。
破除地域限制
人机协作的第三个优点在于破除了安全护栏网的同时，人机协作使智能机器人可以不受固定的地理位置限制，而随着实际的需求，在不同的地方进行工作，使可转变的柔性生产成为可能。传统的非柔性生产是指生产设备按照预计最优化的节拍进行设计和实现，而在生产需求变动的情况下通过工人数量和工作内容的变化来做相应的调整，但生产设备却没有达到最优化的使用率。人机协作消除了安全保护网在实际生产当中的里程碑式的作用，使机器、设备和物流的参数变更变得更为容易，并且消除了自动化生产区域和人工生产区域的鸿沟，使生产设备的有效使用率达到最高。
破除地域限制，参与可转变的柔性生产这个优点可以在下面的图表中显现出来。以柔性设计安装汽车车门为例，当生产节拍需求超过107秒的时候，一个工人就可以独立完成车门的安装;当节拍需求介于74秒到107秒的时候，一个工人和一个智能机器人可以协同去安装车门; 当节拍需求介于55秒到74秒的时候，有两个工人一起装配练车; 当节拍需求介于37秒到55秒的时候，两个工人和一个智能机器人就可以在两个不同的工位上进行协同装配; 当节拍需求介于28秒到37秒的时候，就可以同时有四个工人在两个不同的工位上面进行装配。智能机器人按照实际需求参与装配工作，使其有效使用率达到最大。
提升直观能力
人机协作的第四个优点在于，智能机器人的直观能力提高，使编程的效率提高，也简化了编程的步骤，降低了编程的门槛，使没有专业编程背景的操作员可以轻松操作智能机器人。操作员可以手把手教机器人，让它按照所要求的步骤和位置进行模拟，机器人则通过自身智能程序计算出最优路线，然后可以按照操作员工所教导的进行实际操作。
降低成本
人机协作的第五个优点是可以减少安全防护措施、传感器及其编程的成本，因为之前也提到，安全防护措施及传感器的成本几乎占整个系统的20%到25%，将安全防护措施、传感器及其编程的功能集成在智能机器人内部，并且通过引入人来参与生产系统，利用人的优势来减少整个系统对于传感器的依赖，系统集成的总成本便会相应减少。
通过人机协作的参与，整个生产过程也因此保持可持续发展，生产效率也同时得到持续性提高，使高成本生产国家有机会和能力保住现有的工作岗位，提升自身的全球竞争力，甚至使从低成本生产国家手中重新获得新的工作岗位成为可能。
人机协作的挑战
每一块闪亮的金牌背后都充满了荆棘，困难和挑战，人机协作也不例外。如何根据实际装配产品的大小、重量、精度和节拍要求，智能设计传感器和机器人以及系统集成，在保证安全的前提下避免机器人停机，减少减缓速度的时间空间，成为了提升人机协作的使用率，深化人机协作率的重要前提和最大挑战。
由于人机协作以及机器人应用隶属于机器设备，所在在介绍关于人机协作的安全要求前需要先介绍机器设备的安全要求，即DIN EN ISO 13849 以及DIN EN 62061。两个标准的侧重点不一样，DIN EN 62061 以SIL(安全集成等级)来作为评估级别，它主要从电器、电气以及可编程的控制系统这三方面来评估整个系统的安全等级，而DIN EN ISO 13849则以PL(执行等级) 来作为评估级别，着重于设备，从液压部件、压缩气体部件和机械部件，按功能安全要求去进行评估。下图是两种评估标准的案例。对应每个评估等级都有其相应的安全要求。
在DIN EN ISO 13849 以及DIN EN 62061的基础上，EN ISO 10218-1/-2 以及ISO/TS 15066:2016版本都有关于机器人安全需求的详细记载，前者是规定工业机器人的安全标准，后者是规定人机协作的安全标准，以及对于人机协作系统及应用的风险评估。安全需求分为四种案例，第一种案例是, 当人进入到具有安全防护栏的封闭或者开放式工作系统之时，机器人就立刻停下; 第二种案例是，在人引导机器人进行运动的情况下，当安全按钮被按住，机器人以缓慢的速度开始运动，反之则机器人保持静止; 第三种案例是对于人或物体位移速度和与机器人距离的监控，当规定的安全距离被打破的时候，机器人会停止; 第四种案例是在人与机器人有接触的情况下，对机器人功率以及力量的限制，使接触产生的影响力小于限定值。在ISO/TS 15066:2016中通过以下这些标志来对各种危害源进行归类和提醒。
鉴于人机协作工作系统涉及到人身安全，所以在规划执行人机协作项目当中，除了要按照之前提及的标准定义项目的安全等级外，还要根据EN ISO 12100对项目进行风险评估，风险分析以及采取措施降低风险。具体的流程安排如下，首先是对整个工作系统的界定，哪些包含在系统内，哪些不属于，在定义系统的范围之后，就需要来识别系统中有哪些危险源，然后对于会产生的风险来进行相应推测 (此三部被称为风险分析)。针对推测出来的风险进行风险评估，并判断这个风险是否能够成功规避 (至此被称为风险评估)。 如果风险可以被规避到可以接受，那就需要去做文档记录并结束对此项的评估。 如果这个风险不能够被规避，则需要通过变更系统设计，添加额外的安全保护措施或者更新操作指导书并提醒操作员工相关注意事项。在决定采取这些措施之前，仍然要判断是否会因此产生新的危险源并经行新一轮的分析和评估，直至风险能够被规避并可以接受为止。
作为人机协作非常重要的一部分，抓斗连接于智能机器人手臂上，与工具/加工部件和人有直接接触。我们从刚刚提到的安全标准来看对抓斗的三种不同的安全要求。基于EN ISO 12100，从普遍性设备的风险评估出发，对抓斗的要求是要紧紧抓住工具/加工部件，不能够使部件脱离, 也就是意味着当抓斗失去能源来源或者是处于紧急停止状况，它仍然能够通过自身来紧紧抓住部件; 根据DIN EN ISO 13849，作为控制系统的一个组成部件，抓斗需要确保安全的运行，即可以随时感应到外界的接触，同时有自身的防护措施; 基于EN ISO 10218-1/-2 以及ISO/TS 15066:2016，通过设置不会导致伤害的抓力以及添加相应的传感器，进行实时监控，当抓斗判断出与人有直接接触而不是工具/加工部件时，马上调整抓力，确保抓斗不会伤害到人。
除了要达到安全要求，人机协作是不是能够有很高的投资回报率也是人机协作继续发展的前提条件和巨大挑战。整个系统的成本由两部分组成，首先是硬件方面的成本，包括智能机器人、抓斗、控制系统、安全系统，其次是集成和认证方面的成本，包括集成商编程以及项目管理成本，以及第三方机构的风险评估、认证费用。 与纯人工工作系统相比，人机协作必须在速度、柔性、质量三方面展现其巨大优势，才能较之其系统成本确保较高的投资回报率。
当然，如何让生产中的员工可以接受人机协作，让整个工作系统按照起初的设计理念进行人机无缝运作，也作为另外一个不可忽视的挑战。
人机协作的实践路径
在深入了解何为人机协作，其优势和挑战之后，如何实施人机协作便成为下一个需要讨论的问题。根据过去实施的人机协作案例进行归纳总结，分析-制定方案-可行性研究-实现是一条值得遵循的实践路径。
分析: 根据实际装配产品的大小、重量、精度、数量、品种和节拍要求进行分析，哪些工作系统适合标准自动化，哪些适合纯手工加工装配，哪些工作可以交付智能机器人完成，如何让机器人与人协同工作，从而可以从中受益。作为成果，适用于人机协作的工作系统得以确认。
制定方案: 根据被确认的工作系统，建立不同的人机分工方案、模拟流程，并根据系统要求评估各个方案，从人力成本、系统成本、占地、物流、信息流、技术风险和难点、安全需求等方面综合比对，最后得出最优化的方案。
可行性研究: 通过实际测试或模拟，针对流程和安全风险和难点进行可行性研究，从而确保方案的可行性和安全性。
实现: 按照方案和可行性研究的结果进行实施，完成项目。
总结与展望
从安全的角度来说，现有的工业机器人处在安全防护栏之后进行工作，并非已被时代所淘汰，因为它的优势在于，非常低的设计成本，相对简单的风险分析，以及拥有非常稳定的高生产率。随着人机协作的层面不断进深，相对的风险评估也会愈加繁复，为减少风险所采取的设计措施也会增加。但随着工业4.0时代的到来，智能产品对于生产系统的要求迫使新一代的工作系统必须适用柔性生产，人机协作必然在此领域大展宏图。
来源：华夏基石e洞察（ID：chnstonewx）；作者曹小胖，华夏基石特约专家，德国机械工程硕士、资深精益专家、工业4.0专家
