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协作机器人:智能制造的下一个“风口”

来源:亿欧网

作者:

2018-12-17 14:21:50

协作机器人和相关的柔性机电一体化、人机交互、云机器人等技术将成为工业机器人领域技术研发与投资的“风口”。另外,全球协作机器人市场的快速增长也是大势所趋。

在未来智能制造的蓝图中,机器人与人类的深度协作将成为一个趋势。可以与人类一起工作的协作机器人、柔性机器人、云机器人等将持续成为机器人领域研发与投资的热点。

2014年,工业机器人巨头ABB公司推出了全球首款真正意义上的人机协作产品——“YuMi”双臂机器人。这款机器人是一个颠覆式的创新产品。它的应用把机器人从传统的围栏中解放出来,表明机器人可以安全地与人类并肩合作。从此,协作机器人作为一个最新的机器人种类将人与机器之间的合作带入了一个新的时代。

人机协作是大势所趋

早在1974年,机器人就已经进入工业生产领域。然而,40多年过去了,绝大多数情况下机器人与工人依旧无法比肩工作。为了避免机械臂或机器人在工作过程中误伤工人,在实际应用过程中机器人通常被固定在工位上,并且被一定范围的防护栏隔离开。

随着机器人智能化程度的提高,柔性机器人技术的发展,以及机器人与人类合作完成任务的需求愈加强烈,工业机器人必将朝着人机协作的方向发展。

协作机器人的研究起源于欧盟在2005年资助的一个由ABB公司、库卡公司等工业机器人巨头和机器人产业链上的其他公司共同参与的研究项目。当时的研究目的是制造一种中小企业可以负担得起的、小而灵巧的机器人,用来应对制造业流出欧盟,向低人力成本国家转移的趋势。

不过,当时的协作机器人都是由传统机器人改造而成,对工业机器人市场并没有产生太大的影响。

目前,工业机器人主要用来在车间里完成简单、繁重的重复性工作,如移动物体到指定位置、定点焊接、喷涂等。而那些需要具备触觉或灵活性的工作,比如电子产品的装配等,工业机器人还无法胜任。从ABB公司的“YuMi”开始,真正的协作机器人的出现满足了人机协作完成较为复杂任务的需要。

协作机器人在全球市场崭露头角

全球工业机器人市场增长迅速。根据壹行研(Innova Research)的数据,2015年全球工业机器人出货量总计25.3万台,市场销售额达到98.1亿美元。壹行研预测,到2020年,全球工业机器人的出货量将会达到91.9万台,销售额达到约233亿美元。

在中国,随着劳动力成本快速上涨,人口红利逐渐消失,生产方式急需向智能化、精细化方向转变,工业企业对包括工业机器人在内的自动化、智能化装备的需求正在快速增长。壹行研数据显示,2015年中国工业机器人市场出货量为4.7万台,销售额超过13亿美元。

预计到2020年,中国工业机器人出货量将达到18.4万台,销售额将超过32亿美元。可以看出,中国工业机器人市场的增长速度将远远超越全球工业机器人市场的发展速度,成为未来5年全球工业机器人市场增长的亮点。

值得注意的是,两年前才开始批量出货的协作机器人已经开始在全球机器人市场崭露头角。全球工业机器人四大巨头无一例外推出了自己的协作机器人产品。除了ABB公司推出的协作机器人“YuMi”外,发那科公司推出了型号为CR-35iA的大型协作机器人,库卡公司推出了名为“LBR iiwa”的协作机器人,安川公司则研发了名为“Dexter Bot”的协作机器人。

中国工业机器人行业的领先企业沈阳新松机器人公司也不甘落后,在2015年11月上海举行的中国国际工业博览会上,首发了国内领先的七轴柔性协作机器人。其他在协作机器人行业内耳熟能详的企业包括总部在美国波士顿的Rethink Robotics公司、丹麦的优傲机器人公司和日本的Life Robotics公司等。

目前,汽车行业是工业机器人最大的应用市场,电子行业次之,其他行业工业机器人的普及程度要低得多。由于工业机器人最大的汽车应用市场已经基本被ABB公司、库卡公司、发那科公司、安川公司这四大巨头垄断,其他机器人供应商很难进入,市场规模第二的电子行业就成为工业机器人巨头和工业机器人新贵角逐的主要领域。

除了汽车和电子两大机器人应用市场外,未来工业机器人还会大量进入其他工业应用市场,比如医药、食品、纺织、家具制造等行业。对于这些领域中的广大中小企业来说,价格相对便宜、体积小、灵活性强的协作机器人比体积庞大且昂贵的传统工业机器人更容易受到欢迎。

基于以上的判断,壹行研预计未来5年协作机器人市场出货量的增长速度将比传统工业机器人更加快速,到2025年,全球协作机器人市场规模有可能超过100亿美元。到那时,协作机器人与工人紧密合作的场景会逐步成为车间里随处可见的靓丽风景线。

技术是关键

现在市面上出现的是尚处于初级阶段的协作机器人,它们主要还是被用来从事重复的规定动作。不过,未来协作机器人必将更新换代,变得更高效、更精确、更聪明,同人类的配合也将更为紧密。

要使机器人与人类更加亲密地合作,人类的安全必须首先得到保障。当下协作机器人的发展虽然还处于初级阶段,但在主动安全性方面已经率先得到了加强。

协作机器人研发的先驱之一,丹麦优傲机器人公司出产的UR系列协作机器人装备了力矩传感器,该型号的机器人如果遇到一个超过设定值的阻力(如50~150牛顿,阻力值可以调整)就会自动停止运行,这确保了机器人在运动过程中不会误伤人类和其他设施。

另外,协作机器人个头比传统工业机器人小得多,质量一般介于十几千克到几十千克之间,不但功耗较低,很多还采用了内骨骼的设计方式,外面包裹了软质材料。这种设计除了不易对人产生伤害外,还使得协作机器人可以和人一起完成一些轻量化的工作,比如夹取一些比较易碎的零件。

未来,协作机器人应朝着更易操作、更高智能、更高精度的方向发展。协作机器人需要比一般机器人拥有更多的感知、认知和执行能力来完成一些复杂的、需要灵活性的任务。此外,协作机器人还需要具备与人类进行有效沟通的能力。这些都需要未来的协作机器人在人机交互、柔性机电一体化、云机器人、人工智能等关键技术领域取得进一步突破。

人机交互是操控机器人的关键技术之一。由于协作机器人直接和人打交道,实现人与机器人之间的信息传递,及时准确地理解对方的意图就显得非常重要。 目前,协作机器人已经应用了比较先进的人机交互技术。

比如,有些协作机器人可以接受工人的示教。工人通过手工移动机器人的机械臂进行示范,而不需要改编程序,就能使协作机器人理解并做出相应的动作。未来,为了使协作机器人更容易操控,人机接口技术需要得到进一步的发展,其主要发展方向包括视觉和语音交互 、力觉和触觉交互等。

柔性机电一体化技术使机器人的安全性得到进一步保障。更安全的电机和执行机构是重要的科技创新,其中包括柔性机电一体化机械手和其他执行机构。

这些柔性执行机构能够根据接触外界环境时反作用力的大小调整自身的行为,也就是“知道轻重”,并根据任务不同而调整自身的力度,从而保证了操作的安全性,尤其是在与人一起工作时的安全性。未来,协作机器人的大规模采用对柔性机电一体化技术提出了更高的要求。

云机器人技术不但能进一步降低机器人成本,而且可以有效提升机器人的聪明程度和自我学习能力。云机器人就是云计算与机器人的结合,协作机器人的云机器人化是未来发展的必然趋势。就像其他云计算终端一样,云机器人本身不需要存储所有资料信息或具备超强的计算能力,只在需要的时候连接云端的服务器就可以获得所需信息。

云计算的强大运算和存储能力,能够给机器人提供一个更智能的“大脑”,增强单个机器人执行相对复杂的任务的能力。同时,云计算技术的应用也使得分布在世界各地、具有不同能力的机器人开展合作、共享信息资源,使完成更大、更复杂的任务成为可能。

云计算技术还可以扩展机器人的应用领域,加速和简化机器人系统的开发过程,未来云端软件的模块化和可扩展性的增强也将使机器人的升级进化更加迅速。可以想见,由于不需要大量存储器件和超强的计算能力,单个云机器人的硬件成本将大大降低。而机器人成本的降低对未来工业机器人和服务机器人的推广使用都具有极其深远的意义。

投资与技术研发的下一个“风口”

协作机器人从初级产品问世到现在还不到10年,因此这个行业还处于十分早期的阶段。协作机器人真正吸引机器人相关投资者的目光则是在2014年ABB公司推出“YuMi”之后。2015年4月,ABB公司收购了位于德国慕尼黑的另一家机器人供应商Gomtec公司。ABB公司明确表示,此次收购的目的就是加强ABB公司在协作机器人方面的技术研发实力。2014年6月,美国工业自动化设备公司泰瑞德斥资2.85亿美元收购了协作机器人行业的先驱——从2005年起就开始研发协作机器人的丹麦优傲机器人公司。这一并购成为当年协作机器人领域最大的并购案例。

同样,协作机器人领域的技术合作也在悄然兴起。2015年10月,在“2015亚洲国际物流技术与运输展览会(CeMAT Asia)”上,库卡公司与领先的自动化仓库与自动化物流配送系统供应商Swisslog公司共同发布了一款人机协作的订单拣选系统。在该系统中,协作机器人和工人可以并肩工作处理订单分拣任务,由机器人连续不断地处理重复性的工作,而工人则可以从事其他复杂的业务,从而大大提高订单处理的效率。

2016年7月,美国福特汽车公司与库卡公司共同打造的一款全新的协作机器人,在福特汽车公司位于德国科隆的工厂正式亮相。该款协作机器人主要的任务是安装汽车减震器,这不仅能够确保安装位置的准确性,而且可以大大提高安装的效率。

协作机器人在我国还是一个很新的机器人领域,目前市面上看到的国产协作机器人很少。除了沈阳新松机器人公司自主研发的七轴柔性协作机器人外,北京大学机器人实验室核心团队成立的山思跃立科技有限公司发布了“WEE”双臂协作机器人。随着协作机器人市场增长趋势愈加明显,国内机器人领先企业将会更加积极地投入研发,国内投资人的目光也将慢慢转向协作机器人和相关技术领域。协作机器人将成为机器人领域下一个投资和技术研发“风口”。

会取代传统工业机器人吗

协作机器人是一个颠覆性的创新。其颠覆性不仅表现在协作机器人可以与工人并肩合作,改变人与机器的合作方式和人机世界隔离的状态,而且还在于协作机器人未来能被数量庞大的中小企业用于部分替代工人的重复劳动,从而有效提高广大中小企业的劳动生产率。

协作机器人的价格大约只有传统工业机器人的一半,而且易操作、安全性高、可以移动,具有很强的灵活性,经过简单调试就能适应多种任务,所以协作机器人未来有望被广大中小企业广泛采用,且能跳出目前工业机器人局限于汽车和电子两大工业应用的格局,转而渗透到中小企业扎堆的医药、食品、家具、玩具等工业领域,从而全面提高工业生产的效率。

不过,协作机器人与传统工业机器人相比也有一些劣势。由于协作机器人质量轻且可以移动,所以重复定位精度比传统工业机器人差一个数量级。因此,对于精度要求特别高的生产任务,协作机器人现在还不能符合要求。同时,由于怕伤到一起工作的人类,现阶段协作机器人的动作被有意设计得比较慢,因此在生产效率上也不如传统工业机器人。

总之,协作机器人作为一项颠覆性的创新正在机器人领域快速生根发芽。协作机器人和相关的柔性机电一体化、人机交互、云机器人等技术将成为工业机器人领域技术研发与投资的“风口”。另外,全球协作机器人市场的快速增长也是大势所趋,壹行研预测在未来10年内全球协作机器人市场的收入增长将明显快于传统工业机器人市场,并在2025年达到100亿美元的规模。不过,协作机器人并不能取代传统工业机器人。协作机器人仍将作为工业机器人的一个重要的分支,在未来很长的时间内将与传统的工业机器人共存,并共同发展。

展望未来,人机协作并不局限于工业领域为智能制造服务。事实上,人机协作在军事、安防、农林、医疗等专业服务机器人领域也同样是一个确定的发展趋势。可以预见,未来协作机器人必将走进应用更为广阔的服务机器人领域。

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