下一代同事或是新一代同事，無(wú)論怎樣的稱呼，全球的制造、倉(cāng)儲(chǔ)、物料搬運(yùn)和供應(yīng)鏈領(lǐng)域正掀起一場(chǎng)機(jī)器人革命。
當(dāng)被問及如何設(shè)想機(jī)器人的模樣時(shí)，多數(shù)人都會(huì)想到在大型工廠圍欄區(qū)域工作的龐大且笨重的機(jī)器人，或是會(huì)模仿人類行為的未來裝甲戰(zhàn)士。
然而介于這兩者之間，其實(shí)還有一種新的現(xiàn)象正在悄然發(fā)生：那便是被稱為“協(xié)作機(jī)器人”的合作機(jī)器人，這種新型機(jī)器人能夠與員工一同工作而無(wú)需使用安全圍欄進(jìn)行隔離。這種類型的合作機(jī)器人可有望填補(bǔ)全手動(dòng)裝配生產(chǎn)線與全自動(dòng)生產(chǎn)線之間的差距。迄今為止，部分企業(yè)，尤其是中小型企業(yè)依然認(rèn)為機(jī)器人自動(dòng)化過于昂貴和復(fù)雜，因而不去考慮對(duì)其應(yīng)用的可能性。
傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人體型龐大，在玻璃防護(hù)罩后工作，且廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)及其他大型裝配生產(chǎn)線。與之不同的是，協(xié)作機(jī)器人重量輕、高度靈活、移動(dòng)方便，且能夠重新編程并解決新的任務(wù)，可幫助企業(yè)調(diào)整實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的小批量加工生產(chǎn)，從而應(yīng)對(duì)短期生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。在美國(guó)，汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用機(jī)器人的數(shù)量依舊占據(jù)約65%的市場(chǎng)銷售總量。而美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)RIA援引觀察員數(shù)據(jù)，認(rèn)為在可能受益于機(jī)器人的企業(yè)中，迄今只有10%的企業(yè)已經(jīng)安裝了機(jī)器人。
圖1 在奧迪康工廠，UR機(jī)器人被牢固的安裝在注塑成型機(jī)上，可以在模具上方移動(dòng)并揀取塑料元件。這一操作采用特別設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)來完成，可確保敏感部件不被損壞
降低準(zhǔn)入門檻
機(jī)器人安裝數(shù)字如此之低的原因主要在于成本、用戶友好性和適用性這三大挑戰(zhàn)，而這些問題現(xiàn)在都已被新型協(xié)作機(jī)器人成功解決。在財(cái)務(wù)方面，下一代復(fù)雜的產(chǎn)品需要裝配適應(yīng)性強(qiáng)，且精確度和可靠性高，即使勞動(dòng)力成本可以承受，也完全超出了人類工人的技能。
根據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法則，一個(gè)機(jī)器人所需的成本相當(dāng)于企業(yè)需付與一名員工兩年的薪酬。但是協(xié)作機(jī)器人的成本僅接近于這一成本的1/4。再加上新型機(jī)器人可為工廠實(shí)現(xiàn)更快的周轉(zhuǎn)，及機(jī)器人技術(shù)日新月異的發(fā)展，所有這些都表明生產(chǎn)外移已經(jīng)失去了合理的商業(yè)意義。相反，新型機(jī)器人以其具備的高科技，正將薪資大戰(zhàn)變成一場(chǎng)提高產(chǎn)品質(zhì)量和加快周轉(zhuǎn)時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)。
圖2 助聽器制造商奧迪康采用UR5機(jī)械手臂來完成鑄造車間的各項(xiàng)工作，而抽吸工具也被替換為可用于處理更為復(fù)雜鑄件的氣動(dòng)夾具。該六軸機(jī)器人的工作周期為4～7s，可完成奧迪康傳統(tǒng)兩軸和三軸機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的翻倒和傾斜操作
即插即用型機(jī)器人
就傳統(tǒng)機(jī)器人而言，其自身成本僅占系統(tǒng)總成本的25％～30％。而剩余成本則與機(jī)器人編程、安裝以及專用的屏蔽工作間相關(guān)。協(xié)作機(jī)器人的“開箱即用體驗(yàn)”通常少于1h。這其實(shí)便是將機(jī)器人拆包、安裝以及編寫第一個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)程序所需的時(shí)間。
為什么協(xié)作機(jī)器人具備用戶友好性？無(wú)需再依賴熟練的程序員，這種新型機(jī)器人配備了平板觸摸型用戶界面，用戶可通過在屏幕上指示動(dòng)作來操控機(jī)械手臂。或者通過輕松把持機(jī)械手臂，向它展示所需的運(yùn)動(dòng)路徑。該界面符合多數(shù)工業(yè)傳感器和可編程邏輯控制器（PLC）的標(biāo)準(zhǔn)。編寫新的任務(wù)程序非常簡(jiǎn)單，丹麥助聽器制造商奧迪康（Oticon）公司對(duì)此深有體會(huì)。新型合作機(jī)器人可對(duì)用戶進(jìn)行直觀指導(dǎo)，且精確度高，這給奧迪康留下了深刻印象。奧迪康需要機(jī)動(dòng)性高的機(jī)器人來幫助其實(shí)現(xiàn)短期生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)收益。在醫(yī)學(xué)工程迅速發(fā)展的今天，生產(chǎn)工藝也隨之不斷改進(jìn)，而助聽器型號(hào)也更為廣泛，這使得企業(yè)需要應(yīng)用機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)規(guī)模更小的批量生產(chǎn)。
精確的操控性
奧迪康以往采用的傳統(tǒng)機(jī)器人無(wú)法解決適用性和便攜性等相關(guān)問題。而安裝了新型機(jī)器人后，這一切便迎刃而解。現(xiàn)代助聽器的零件越來越小，其尺寸通常只有1mm。助聽器制造商一直在尋找一種能從模具中吸出小零件的解決方案。這對(duì)手工操作來講是完全不可能的。同樣，只能夠進(jìn)行橫向和縱向運(yùn)動(dòng)的“老式”兩軸或三軸機(jī)器人也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如果一個(gè)小零件卡在模具中，機(jī)器人必須能夠?qū)⑦@個(gè)零件找出（圖1）。
奧迪康用了一天就在其成型車間安裝好機(jī)器人以應(yīng)對(duì)新的任務(wù)。新型機(jī)器人可被牢固地安裝到注塑成型機(jī)的模具上方，通過特別設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)來吸取塑料元件，而更為復(fù)雜的模制部件則使用氣動(dòng)夾具來處理。由于采用了六軸設(shè)計(jì)，新型機(jī)器人機(jī)動(dòng)性很高，可以通過旋轉(zhuǎn)或傾斜的方式將零件從模具中迅速取出。新型機(jī)器人的工作周期為4～7s，具體時(shí)間取決于生產(chǎn)運(yùn)行的規(guī)模和部件的尺寸。由于優(yōu)化了生產(chǎn)流程，其投資回收期僅為60天（圖2）。
圖3 Cascina Italia使用優(yōu)傲機(jī)器人公司的UR5機(jī)器人后，其自動(dòng)化包裝流水線每小時(shí)可處理15000枚雞蛋。公司員工可以快速的為機(jī)器人重新編程，并緊挨著它工作而無(wú)需使用安全圍欄。由于Cascina工廠車間布局在規(guī)劃之初并未預(yù)料到要容納單獨(dú)的機(jī)器人自動(dòng)化設(shè)備，因此一個(gè)可以在不同的工作任務(wù)之間快速移動(dòng)的便攜式機(jī)器人對(duì)這家意大利經(jīng)銷企業(yè)而言就至關(guān)重要
可在有限空間內(nèi)工作
在意大利的Cascina Italia工廠，一個(gè)在包裝流水線上工作的協(xié)作機(jī)器人每小時(shí)可以處理15000枚雞蛋。這種機(jī)器人配備了氣動(dòng)夾具，可以完成10枚裝蛋托的裝箱操作。由于每個(gè)蛋箱裝有9層，每層10枚的裝蛋托，因此這項(xiàng)工作需要非常精確的操作和小心的放置。
起初，Cascina并未想到能夠使用機(jī)器人來完成這項(xiàng)工作，但是在工廠中觀看了機(jī)器人的實(shí)地演示后，這家企業(yè)很快意識(shí)到應(yīng)用機(jī)器人的好處。90天之后，新型機(jī)器人便正式在工廠流水線工作。這臺(tái)機(jī)器人只有11lb（1lb≈0.454kg）重，可以在不同的包裝流水線之間輕松移動(dòng)，而這一點(diǎn)對(duì)Cascina而言至關(guān)重要，因?yàn)檫@家企業(yè)有4種不同大小的雞蛋產(chǎn)品，需要機(jī)器人能夠在員工身旁極其有限的空間內(nèi)工作（圖3）。
圖4 在納維亞煙草公司，現(xiàn)在由UR5機(jī)器人完成煙草罐裝箱的操作流程，員工得以從重復(fù)的繁重勞動(dòng)中解放出來，他們被轉(zhuǎn)調(diào)至更為輕松的崗位上。由于工廠的包裝裝置上沒有足夠的空間來隔離機(jī)器人，因此部署協(xié)作機(jī)器人極大的簡(jiǎn)化了裝置并降低了成本
安全第一
在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，安全問題一直是機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研發(fā)工作的熱點(diǎn)和主要推動(dòng)力。考慮到與員工一起工作的安全性，新一代工業(yè)機(jī)器人由球形關(guān)節(jié)、反向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、力傳感器和重量更輕的材料構(gòu)成。
Cascina工廠部署的機(jī)器人嚴(yán)格遵從現(xiàn)行有關(guān)力和力矩限制的安全要求，一旦與人類員工發(fā)生觸碰，機(jī)器人身上內(nèi)置的力控制裝置就會(huì)自行限制觸碰力度從而避免造成人身傷害。在多數(shù)應(yīng)用中，通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估之后，這一安全功能使得機(jī)器人可以在無(wú)需安全防護(hù)的情況下開展工作。
避免繁重的勞動(dòng)
在斯堪的納維亞煙草公司（Scandinavian Tobacco Company），協(xié)作機(jī)器人現(xiàn)在可以直接和員工一同工作，在煙草包裝裝置上完成為煙草罐加蓋的工作（圖4）。
同時(shí)，納維亞煙草公司研發(fā)了自己的夾具，并安排企業(yè)內(nèi)部技術(shù)人員完成初始編程工作。這既保護(hù)了企業(yè)的專有技術(shù)，也確保了高生產(chǎn)率，同時(shí)還避免了生產(chǎn)停機(jī)情況的發(fā)生，而一旦自動(dòng)化解決方案出現(xiàn)故障也無(wú)需另行聘請(qǐng)收費(fèi)昂貴的外包顧問。優(yōu)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)使得企業(yè)業(yè)主決定將生產(chǎn)基地繼續(xù)留在薪資水平高的斯堪的納維亞國(guó)家。該煙草公司新型機(jī)器人的投資回報(bào)周期為330天。
圖5 在強(qiáng)生公司，員工非常喜歡和他們的新型協(xié)作機(jī)器人同事UR5一起工作，他們還給它取了一個(gè)昵稱——“克里歐”
從45瓶/min到70瓶/min
大型制造企業(yè)同樣也能受益于新型機(jī)器人。在強(qiáng)生（Johnson & Johnson）公司設(shè)于希臘雅典的分廠，協(xié)作機(jī)器人顯著優(yōu)化了洗發(fā)和護(hù)膚產(chǎn)品的包裝流程。這個(gè)機(jī)械手臂夜以繼日地工作，每2.5s就能從生產(chǎn)線上同時(shí)拿起三瓶產(chǎn)品，對(duì)它們進(jìn)行定向處理并放置在包裝機(jī)內(nèi)。手工操作1min可處理45瓶產(chǎn)品，而采用機(jī)器人輔助生產(chǎn)方式后1min則可處理70件產(chǎn)品（圖5）。
這些瓶子均以真空方式吸起并被安全轉(zhuǎn)送，沒有任何刮傷或滑落的風(fēng)險(xiǎn)。而機(jī)器人的靈巧性在此起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)檫@些瓶子形狀各異、大小不同，且標(biāo)簽并不是打印在所有產(chǎn)品的同一側(cè)，這意味著該機(jī)器人必須既能從右側(cè)也能從左側(cè)抓握產(chǎn)品。強(qiáng)生公司任何一名員工都可以為機(jī)器人重新編程以完成新的任務(wù)，這樣就為公司節(jié)省了聘請(qǐng)外包程序員的成本。
機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的新方向
一談到人類協(xié)作和生產(chǎn)的靈活性，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的功能必須在幾乎所有層面上進(jìn)行升級(jí)：從固定安裝到可重新安置，從周期性重復(fù)的任務(wù)到頻繁變化的任務(wù)，從間歇連接到持續(xù)連接，從與人類沒有互動(dòng)到與工人頻繁協(xié)作，從空間隔離到空間共享，以及從數(shù)年實(shí)現(xiàn)盈利到接近即時(shí)的投資回報(bào)等。在不久的將來，機(jī)器人技術(shù)這一新興領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)更多的新發(fā)展，這將不斷改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞郊芭c技術(shù)互動(dòng)的方式。
