協(xié)作機器人：智能制造的下一個“風(fēng)口”

    2014年，工業(yè)機器人巨頭ABB公司推出了全球首款真正意義上的人機協(xié)作產(chǎn)品——“YuMi”雙臂機器人。這款機器人是一個顛覆式的創(chuàng)新產(chǎn)品。它的應(yīng)用把機器人從傳統(tǒng)的圍欄中解放出來，表明機器人可以安全地與人類并肩合作。從此，協(xié)作機器人作為一個最新的機器人種類將人與機器之間的合作帶入了一個新的時代。

人機協(xié)作是大勢所趨

    早在1974年,機器人就已經(jīng)進入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。然而，40多年過去了，絕大多數(shù)情況下機器人與工人依舊無法比肩工作。為了避免機械臂或機器人在工作過程中誤傷工人，在實際應(yīng)用過程中機器人通常被固定在工位上，并且被一定范圍的防護欄隔離開。

    隨著機器人智能化程度的提高，柔性機器人技術(shù)的發(fā)展，以及機器人與人類合作完成任務(wù)的需求愈加強烈，工業(yè)機器人必將朝著人機協(xié)作的方向發(fā)展。

    協(xié)作機器人的研究起源于歐盟在2005年資助的一個由ABB公司、庫卡公司等工業(yè)機器人巨頭和機器人產(chǎn)業(yè)鏈上的其他公司共同參與的研究項目。當時的研究目的是制造一種中小企業(yè)可以負擔得起的、小而靈巧的機器人，用來應(yīng)對制造業(yè)流出歐盟，向低人力成本國家轉(zhuǎn)移的趨勢。

    不過，當時的協(xié)作機器人都是由傳統(tǒng)機器人改造而成，對工業(yè)機器人市場并沒有產(chǎn)生太大的影響。

    目前，工業(yè)機器人主要用來在車間里完成簡單、繁重的重復(fù)性工作，如移動物體到指定位置、定點焊接、噴涂等。而那些需要具備觸覺或靈活性的工作，比如電子產(chǎn)品的裝配等，工業(yè)機器人還無法勝任。從ABB公司的“YuMi”開始，真正的協(xié)作機器人的出現(xiàn)滿足了人機協(xié)作完成較為復(fù)雜任務(wù)的需要。

協(xié)作機器人在全球市場嶄露頭角

    全球工業(yè)機器人市場增長迅速。根據(jù)壹行研（Innova Research）的數(shù)據(jù)，2015年全球工業(yè)機器人出貨量總計25.3萬臺，市場銷售額達到98.1億美元。壹行研預(yù)測，到2020年，全球工業(yè)機器人的出貨量將會達到91.9萬臺，銷售額達到約233億美元。

    在中國，隨著勞動力成本快速上漲，人口紅利逐漸消失，生產(chǎn)方式急需向智能化、精細化方向轉(zhuǎn)變，工業(yè)企業(yè)對包括工業(yè)機器人在內(nèi)的自動化、智能化裝備的需求正在快速增長。壹行研數(shù)據(jù)顯示，2015年中國工業(yè)機器人市場出貨量為4.7萬臺，銷售額超過13億美元。

     預(yù)計到2020年，中國工業(yè)機器人出貨量將達到18.4萬臺，銷售額將超過32億美元?？梢钥闯觯袊I(yè)機器人市場的增長速度將遠遠超越全球工業(yè)機器人市場的發(fā)展速度，成為未來5年全球工業(yè)機器人市場增長的亮點。

     值得注意的是，兩年前才開始批量出貨的協(xié)作機器人已經(jīng)開始在全球機器人市場嶄露頭角。全球工業(yè)機器人四大巨頭無一例外推出了自己的協(xié)作機器人產(chǎn)品。除了ABB公司推出的協(xié)作機器人“YuMi”外，發(fā)那科公司推出了型號為CR-35iA的大型協(xié)作機器人，庫卡公司推出了名為“LBR iiwa”的協(xié)作機器人，安川公司則研發(fā)了名為“Dexter Bot”的協(xié)作機器人。

    中國工業(yè)機器人行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)沈陽新松機器人公司也不甘落后，在2015年11月上海舉行的中國國際工業(yè)博覽會上，首發(fā)了國內(nèi)領(lǐng)先的七軸柔性協(xié)作機器人。其他在協(xié)作機器人行業(yè)內(nèi)耳熟能詳?shù)钠髽I(yè)包括總部在美國波士頓的Rethink Robotics公司、丹麥的優(yōu)傲機器人公司和日本的Life Robotics公司等。

    目前，汽車行業(yè)是工業(yè)機器人最大的應(yīng)用市場，電子行業(yè)次之，其他行業(yè)工業(yè)機器人的普及程度要低得多。由于工業(yè)機器人最大的汽車應(yīng)用市場已經(jīng)基本被ABB公司、庫卡公司、發(fā)那科公司、安川公司這四大巨頭壟斷，其他機器人供應(yīng)商很難進入，市場規(guī)模第二的電子行業(yè)就成為工業(yè)機器人巨頭和工業(yè)機器人新貴角逐的主要領(lǐng)域。

    除了汽車和電子兩大機器人應(yīng)用市場外，未來工業(yè)機器人還會大量進入其他工業(yè)應(yīng)用市場，比如醫(yī)藥、食品、紡織、家具制造等行業(yè)。對于這些領(lǐng)域中的廣大中小企業(yè)來說，價格相對便宜、體積小、靈活性強的協(xié)作機器人比體積龐大且昂貴的傳統(tǒng)工業(yè)機器人更容易受到歡迎。 

    基于以上的判斷，壹行研預(yù)計未來5年協(xié)作機器人市場出貨量的增長速度將比傳統(tǒng)工業(yè)機器人更加快速，到2025年，全球協(xié)作機器人市場規(guī)模有可能超過100億美元。到那時，協(xié)作機器人與工人緊密合作的場景會逐步成為車間里隨處可見的靚麗風(fēng)景線。

技術(shù)是關(guān)鍵

    現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的是尚處于初級階段的協(xié)作機器人，它們主要還是被用來從事重復(fù)的規(guī)定動作。不過，未來協(xié)作機器人必將更新?lián)Q代，變得更高效、更精確、更聰明，同人類的配合也將更為緊密。

    要使機器人與人類更加親密地合作，人類的安全必須首先得到保障。當下協(xié)作機器人的發(fā)展雖然還處于初級階段，但在主動安全性方面已經(jīng)率先得到了加強。

    協(xié)作機器人研發(fā)的先驅(qū)之一，丹麥優(yōu)傲機器人公司出產(chǎn)的UR系列協(xié)作機器人裝備了力矩傳感器，該型號的機器人如果遇到一個超過設(shè)定值的阻力（如50～150牛頓，阻力值可以調(diào)整）就會自動停止運行，這確保了機器人在運動過程中不會誤傷人類和其他設(shè)施。

    另外，協(xié)作機器人個頭比傳統(tǒng)工業(yè)機器人小得多，質(zhì)量一般介于十幾千克到幾十千克之間，不但功耗較低，很多還采用了內(nèi)骨骼的設(shè)計方式，外面包裹了軟質(zhì)材料。這種設(shè)計除了不易對人產(chǎn)生傷害外，還使得協(xié)作機器人可以和人一起完成一些輕量化的工作，比如夾取一些比較易碎的零件。

    未來，協(xié)作機器人應(yīng)朝著更易操作、更高智能、更高精度的方向發(fā)展。協(xié)作機器人需要比一般機器人擁有更多的感知、認知和執(zhí)行能力來完成一些復(fù)雜的、需要靈活性的任務(wù)。此外，協(xié)作機器人還需要具備與人類進行有效溝通的能力。這些都需要未來的協(xié)作機器人在人機交互、柔性機電一體化、云機器人、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得進一步突破。

    人機交互是操控機器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于協(xié)作機器人直接和人打交道，實現(xiàn)人與機器人之間的信息傳遞，及時準確地理解對方的意圖就顯得非常重要。 目前，協(xié)作機器人已經(jīng)應(yīng)用了比較先進的人機交互技術(shù)。

    有些協(xié)作機器人可以接受工人的示教。工人通過手工移動機器人的機械臂進行示范，而不需要改編程序，就能使協(xié)作機器人理解并做出相應(yīng)的動作。未來，為了使協(xié)作機器人更容易操控，人機接口技術(shù)需要得到進一步的發(fā)展，其主要發(fā)展方向包括視覺和語音交互 、力覺和觸覺交互等。

    柔性機電一體化技術(shù)使機器人的安全性得到進一步保障。更安全的電機和執(zhí)行機構(gòu)是重要的科技創(chuàng)新，其中包括柔性機電一體化機械手和其他執(zhí)行機構(gòu)。

    這些柔性執(zhí)行機構(gòu)能夠根據(jù)接觸外界環(huán)境時反作用力的大小調(diào)整自身的行為，也就是“知道輕重”，并根據(jù)任務(wù)不同而調(diào)整自身的力度，從而保證了操作的安全性，尤其是在與人一起工作時的安全性。未來，協(xié)作機器人的大規(guī)模采用對柔性機電一體化技術(shù)提出了更高的要求。

    云機器人技術(shù)不但能進一步降低機器人成本，而且可以有效提升機器人的聰明程度和自我學(xué)習(xí)能力。云機器人就是云計算與機器人的結(jié)合，協(xié)作機器人的云機器人化是未來發(fā)展的必然趨勢。就像其他云計算終端一樣，云機器人本身不需要存儲所有資料信息或具備超強的計算能力，只在需要的時候連接云端的服務(wù)器就可以獲得所需信息。

     云計算的強大運算和存儲能力，能夠給機器人提供一個更智能的“大腦”，增強單個機器人執(zhí)行相對復(fù)雜的任務(wù)的能力。同時，云計算技術(shù)的應(yīng)用也使得分布在世界各地、具有不同能力的機器人開展合作、共享信息資源，使完成更大、更復(fù)雜的任務(wù)成為可能。

    云計算技術(shù)還可以擴展機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，加速和簡化機器人系統(tǒng)的開發(fā)過程，未來云端軟件的模塊化和可擴展性的增強也將使機器人的升級進化更加迅速?？梢韵胍姡捎诓恍枰罅看鎯ζ骷统瑥姷挠嬎隳芰?，單個云機器人的硬件成本將大大降低。而機器人成本的降低對未來工業(yè)機器人和服務(wù)機器人的推廣使用都具有極其深遠的意義。

投資與技術(shù)研發(fā)的下一個“風(fēng)口”

    協(xié)作機器人從初級產(chǎn)品問世到現(xiàn)在還不到10年，因此這個行業(yè)還處于十分早期的階段。協(xié)作機器人真正吸引機器人相關(guān)投資者的目光則是在2014年ABB公司推出“YuMi”之后。2015年4月，ABB公司收購了位于德國慕尼黑的另一家機器人供應(yīng)商Gomtec公司。ABB公司明確表示，此次收購的目的就是加強ABB公司在協(xié)作機器人方面的技術(shù)研發(fā)實力。2014年6月，美國工業(yè)自動化設(shè)備公司泰瑞德斥資2.85億美元收購了協(xié)作機器人行業(yè)的先驅(qū)——從2005年起就開始研發(fā)協(xié)作機器人的丹麥優(yōu)傲機器人公司。這一并購成為當年協(xié)作機器人領(lǐng)域最大的并購案例。

    同樣，協(xié)作機器人領(lǐng)域的技術(shù)合作也在悄然興起。2015年10月，在“2015亞洲國際物流技術(shù)與運輸展覽會(CeMAT Asia)”上，庫卡公司與領(lǐng)先的自動化倉庫與自動化物流配送系統(tǒng)供應(yīng)商Swisslog公司共同發(fā)布了一款人機協(xié)作的訂單揀選系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，協(xié)作機器人和工人可以并肩工作處理訂單分揀任務(wù)，由機器人連續(xù)不斷地處理重復(fù)性的工作，而工人則可以從事其他復(fù)雜的業(yè)務(wù)，從而大大提高訂單處理的效率。

    2016年7月，美國福特汽車公司與庫卡公司共同打造的一款全新的協(xié)作機器人，在福特汽車公司位于德國科隆的工廠正式亮相。該款協(xié)作機器人主要的任務(wù)是安裝汽車減震器，這不僅能夠確保安裝位置的準確性，而且可以大大提高安裝的效率。

    協(xié)作機器人在我國還是一個很新的機器人領(lǐng)域，目前市面上看到的國產(chǎn)協(xié)作機器人很少。除了沈陽新松機器人公司自主研發(fā)的七軸柔性協(xié)作機器人外，北京大學(xué)機器人實驗室核心團隊成立的山思躍立科技有限公司發(fā)布了“WEE”雙臂協(xié)作機器人。隨著協(xié)作機器人市場增長趨勢愈加明顯，國內(nèi)機器人領(lǐng)先企業(yè)將會更加積極地投入研發(fā)，國內(nèi)投資人的目光也將慢慢轉(zhuǎn)向協(xié)作機器人和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。協(xié)作機器人將成為機器人領(lǐng)域下一個投資和技術(shù)研發(fā)“風(fēng)口”。

會取代傳統(tǒng)工業(yè)機器人嗎？

    協(xié)作機器人是一個顛覆性的創(chuàng)新。其顛覆性不僅表現(xiàn)在協(xié)作機器人可以與工人并肩合作，改變?nèi)伺c機器的合作方式和人機世界隔離的狀態(tài)，而且還在于協(xié)作機器人未來能被數(shù)量龐大的中小企業(yè)用于部分替代工人的重復(fù)勞動，從而有效提高廣大中小企業(yè)的勞動生產(chǎn)率。

    協(xié)作機器人的價格大約只有傳統(tǒng)工業(yè)機器人的一半，而且易操作、安全性高、可以移動，具有很強的靈活性，經(jīng)過簡單調(diào)試就能適應(yīng)多種任務(wù)，所以協(xié)作機器人未來有望被廣大中小企業(yè)廣泛采用，且能跳出目前工業(yè)機器人局限于汽車和電子兩大工業(yè)應(yīng)用的格局，轉(zhuǎn)而滲透到中小企業(yè)扎堆的醫(yī)藥、食品、家具、玩具等工業(yè)領(lǐng)域，從而全面提高工業(yè)生產(chǎn)的效率。

    不過，協(xié)作機器人與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比也有一些劣勢。由于協(xié)作機器人質(zhì)量輕且可以移動，所以重復(fù)定位精度比傳統(tǒng)工業(yè)機器人差一個數(shù)量級。因此，對于精度要求特別高的生產(chǎn)任務(wù)，協(xié)作機器人現(xiàn)在還不能符合要求。同時，由于怕傷到一起工作的人類，現(xiàn)階段協(xié)作機器人的動作被有意設(shè)計得比較慢，因此在生產(chǎn)效率上也不如傳統(tǒng)工業(yè)機器人。

    總之，協(xié)作機器人作為一項顛覆性的創(chuàng)新正在機器人領(lǐng)域快速生根發(fā)芽。協(xié)作機器人和相關(guān)的柔性機電一體化、人機交互、云機器人等技術(shù)將成為工業(yè)機器人領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)與投資的“風(fēng)口”。另外，全球協(xié)作機器人市場的快速增長也是大勢所趨，壹行研預(yù)測在未來10年內(nèi)全球協(xié)作機器人市場的收入增長將明顯快于傳統(tǒng)工業(yè)機器人市場，并在2025年達到100億美元的規(guī)模。不過，協(xié)作機器人并不能取代傳統(tǒng)工業(yè)機器人。協(xié)作機器人仍將作為工業(yè)機器人的一個重要的分支，在未來很長的時間內(nèi)將與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人共存，并共同發(fā)展。

    展望未來，人機協(xié)作并不局限于工業(yè)領(lǐng)域為智能制造服務(wù)。事實上，人機協(xié)作在軍事、安防、農(nóng)林、醫(yī)療等專業(yè)服務(wù)機器人領(lǐng)域也同樣是一個確定的發(fā)展趨勢?？梢灶A(yù)見，未來協(xié)作機器人必將走進應(yīng)用更為廣闊的服務(wù)機器人領(lǐng)域。