什么是协作机器人？制造企业协作机器人指南

您的公司是否正在面临人员短缺、劳动力成本高昂以及需要提高生产精度的问题？解决方案可能是自动化，但传统的工业机器人需要在安全基础设施和复杂编程上进行巨大投资。幸运的是，还有一种替代方案——协作机器人（cobots），它们可以与您的员工携手合作。这些智能机器正在彻底改变中小型制造企业对自动化的看法，提供灵活性、安全性和快速投资回报。了解协作机器人如何改变您的生产方式，以及为什么越来越多的公司选择这一突破性技术。

什么是协作机器人？定义、结构和基本特征

如果您正在寻找简化流程和提高金属生产效率的方法，您可能正在考虑自动化。在这种情况下，"协作机器人"的概念出现得越来越频繁。这些设备到底是什么，它们如何支持您的公司？您将在下面找到答案。

生产革命——为什么选择协作机器人？

协作机器人是对制造企业，特别是中小型企业对灵活安全的自动化解决方案日益增长的需求的回应。它们的设计理念是直接与人类在同一工作空间中协同工作，消除了建造昂贵安全屏障的需要。这一概念在2008年左右开始流行，主要归功于丹麦公司Universal Robots，该公司是这一领域的领先制造商。

定义及与工业机器人的主要区别

协作机器人是"一种专门设计的机器人，可以在直接接近的情况下与人类共同执行任务。"这与传统工业机器人相比是一个根本性的区别，后者由于其速度和力量，必须与人类分开，例如用围栏或安全帘，以避免碰撞风险。

区分协作机器人的关键特征是：

• 协作安全性：协作机器人具有内置的碰撞检测机制以及力量和速度限制。在与人类接触的情况下，它们会自动停止。它们的结构最大限度地减少了受伤的风险——它们更小、更轻（通常自重低于100公斤）并且有圆角边缘。

• 操作和编程的简易性：协作机器人通常配备直观的图形界面。它们还支持所谓的示教编程，这意味着操作员可以手动将机器人手臂移动到所需位置，机器人会记住这个动作。协作机器人编程的简易性使得即使没有机器人技术经验的人也能快速掌握其操作基础。因此，即使没有高级技术知识的员工也可以学习协作机器人编程的基础知识。

• 灵活性和移动性：协作机器人易于重新定位，并且可以快速重新配置以执行新任务。例如，同一台协作机器人一天可以操作CNC车床，第二天可以移动到边缘压力机工作，只需更换夹具和程序。相比之下，传统机器人通常固定在地板上，更改应用时需要复杂的修改。

协作机器人模糊了以前分离的人类和机器工作世界之间的界限，实现了生产组织的新模式。

结构和安全机制

安全是协作机器人结构的基础，使其能够直接与人类合作。主要解决方案包括：

• 碰撞检测系统：基于测量关节中的力和扭矩。当协作机器人感知到突然的阻力（例如，与人类或障碍物接触）时，运动立即停止。ISO/TS 15066等标准规定了对人类安全的可接受压力值。

• 速度和功率限制：协作机器人的移动速度比传统机器人慢（最大速度约为1-2米/秒，而工业机器人为3-4米/秒）。它们的功率和有效载荷也较低（最常见的是从几公斤到几十公斤），这限制了潜在碰撞的能量。

• 最小化夹伤风险的结构：协作机器人的设计没有锐边和可能夹住手指的点。所有突出的元素都是圆形的或有屏蔽的，手臂轮廓纤细。驱动器的位置通常允许在碰撞情况下滑动或弯曲，而不是刚性压力。许多协作机器人在关节中有敏感的扭矩传感器或弹性元件（顺应系列），允许在发生压碎之前检测接触。

ISO 10218-1/2和ISO/TS 15066等安全标准区分了几种人机协作模式。协作机器人最常用的是：

• 功率和力限制模式（PFL）：机器人在结构上是安全的，通过停止来对接触做出反应。

• 速度和分离监控模式（SSM）：使用外部传感器（激光扫描仪、摄像头、机器人上的"敏感皮肤"）跟踪人类位置，减速或停止机器人以保持安全距离。这种模式允许稍快的工作和更大的有效载荷，但需要额外的传感器。

然而，重要的是要记住，尽管协作机器人受到诸如机械指令2006/42/EC等一般法规的约束，要求风险分析和遵守安全原则，协作机器人制造商提供经认证的手臂单元，但工作站的完整安全性取决于集成商/用户。如果在协作机器人上安装了危险工具（如刀片、焊接火炬、激光）或硬夹具，它仍然可能构成威胁。因此，始终需要对特定应用进行全面的风险评估，这可能表明需要额外的安全措施，如激光辐射屏蔽或焊接烟雾提取器。协作机器人提供安全的驱动和力控制，但不能消除所有过程危险。

协作机器人在制造企业中的应用——特别关注金属加工

协作机器人由于其独特的特性——灵活性、易于编程和与人类一起工作的能力——已在许多行业中找到应用，从汽车和电子到食品工业。它们在各个工业领域的应用源于其通用性和适应生产过程的能力。它们在需要高精度、重复性和与操作员互动的任务中表现特别出色。

金属加工中的协作机器人：精度、安全和效率

金属加工行业是协作机器人发挥越来越重要作用的关键领域之一。它们常用于以下任务：

• 焊接：协作机器人的精度允许实现高质量的焊接。它们在小批量和中等批量生产中特别有效，在这些生产中灵活性和快速重新配置很重要。与传统自动化解决方案相比，协作机器人的实施速度是这种技术的另一个优势。Fanuci & Falcon提供机器人焊接激光站FANUCI 5.0 TurnKey，其中配备激光头的协作机器人可以在一个系统中进行焊接、切割、表面清洁和金属堆积。协作机器人对机器的操作还包括高精度安装机械元件。这种激光系统由于完整的屏蔽和传感器而确保高精度和安全性。

• 研磨和抛光：由于力传感器，协作机器人可以以均匀的压力进行研磨，替代操作员进行单调和体力要求高的工作。

• 切割：协作机器人运动的精度使它们在切割操作中也很有效。

• 装载/卸载CNC机器：协作机器人可以操作CNC机器，进料和接收零件，这增加了机器利用率并减轻了工人的单调活动。

• 输送/接收热元件：在铸造厂和锻造厂，协作机器人可以从机器中输送或接收加热的元件，消除人类暴露在高温下的情况。

在一个工作空间内安全地与人类协作的能力意味着协作机器人完全符合那些希望自动化选定生产阶段而无需对整条生产线进行昂贵重建的公司的需求。它们在过程可重复但需要频繁更换或人类参与的地方特别有价值。

为您的公司实施协作机器人的好处

实施协作机器人可以为您的公司带来一系列可衡量的好处，无论是在运营层面还是战略层面：

提高生产力和效率

协作机器人可以连续工作，一周7天，每天24小时，具有不变的重复性，这显著提高了生产效率。协作机器人生产在全球范围内正在蓬勃发展，这转化为使用这些解决方案的公司更好的可用性和竞争力。

成本降低

协作机器人简化了自动化过程，因为它们的安装通常更快、更便宜，不需要建造昂贵的围栏或复杂的安全系统。由于直观的编程，简单的应用可以由公司自行实施，最大限度地减少对外部集成商支持的需求。所有这些使得进入机器人化的门槛大大降低。

质量和重复性改进

在需要精度的任务中，如焊接或装配，协作机器人允许实现人类难以长期保持的可重复质量。消除人为错误和协作机器人运动的恒定精度有助于减少生产中的缺陷百分比。

提高工人安全性

协作机器人非常适合接管对人类来说单调、人体工程学要求高或危险的任务。它们可以执行繁琐的操作，如反复将零件插入和从机器中取出，在既定有效载荷限制内搬运物体，或在有害条件下工作，例如在高温下。这转化为减少工作人员疲劳，减少伤害（如脊柱疾病）和整体改善工作安全性。协作机器人可以作为助手，让工人专注于更复杂的任务。

灵活性和易于适应

协作机器人可以轻松重新编程并用于设施不同部分的许多任务，不像传统的机器人站，通常专用于一个应用。简单的编程允许快速适应机器人到不同的任务，而无需专业团队参与。这使得在自动化站上进行高效的小批量生产成为可能——如果程序和工具准备就绪，更改产品或过程只需几小时，而不是几周。对于具有多样化产品或频繁更改生产计划的公司，通用协作机器人可以作为"多用途工人"。

解决劳动力短缺问题

面对劳动力市场的人员短缺，协作机器人可以显著增加生产能力并帮助维持生产节奏。它们可以连续工作，执行难以找到合适工人的任务。

空间优化

由于能够在不需要围栏的情况下与人类紧密合作，协作机器人允许更好地利用生产车间的可用空间。它们比传统工业机器人更小更轻，这也转化为空间节省。

快速投资回报（ROI）

这源于更高的生产力、错误/缺陷成本的节省以及将工人分配到更有价值任务的能力的结合。在许多情况下，对协作机器人的投资很快就会收回，特别是在面对不断上升的劳动力成本和劳动力短缺的情况下。

实施前需要考虑的挑战和重要方面

尽管有许多优点，协作机器人并不是每种情况下的通用解决方案。应该现实地评估它们的能力和潜在挑战。

协作机器人的局限性

一方面，协作机器人提供了许多好处，另一方面，它们有一些在实施前应该考虑的限制。

• 较低的效率和有效载荷：为了确保安全，协作机器人在速度、力量和自重方面受到限制。这意味着它们在需要非常高速度、高动态精度或搬运重物的任务中无法与传统工业机器人相匹配。大多数协作机器人最多能举起几十公斤，移动速度最高约为1-1.5米/秒。在码垛非常重的产品（例如50公斤的袋子）或非常快的包装线的情况下，协作机器人可能成为"瓶颈"。

• 复杂或不稳定的过程：协作机器人在具有恒定条件的可重复任务中表现最佳。如果过程需要动态适应重大变化或即时做出决策（超出简单的程序逻辑），可能会出现困难。自动化无序过程（例如，随机方向的零件）将需要先进的视觉系统和人工智能，这显著增加了实施的成本和复杂性。

关键安全方面和标准

一个常见的误解是认为协作机器人本质上是安全的，不需要额外的预防措施。实际上，尽管协作机器人最小化了碰撞风险，但这并不免除进行全面工作场所风险评估和满足职业健康安全要求的义务。协作机器人配置错误或使用不当可能导致事故，例如，如果在控制器中更改了速度/力限制，或者如果机器人抓住了尖锐的零件并挥动它。协作机器人制造商提供基本的安全措施（所谓的"安全基础"），但集成商或用户必须照顾其他一切。

应考虑与机器人工具（它是否危险？）、运输对象（它是否有锐边，是否可能掉在某人身上？）和工作环境（温度、化学品）相关的额外危险。所有这些因素都必须根据标准进行评估，并最大限度地减少任何风险。即使在使用协作机器人时，某些额外的安全措施，如激光辐射屏蔽或操作员头盔，可能是必要的。

协作机器人实施错误及如何避免

为确保成功实施协作机器人，值得避免典型的陷阱：

• 不要仅仅因为它是"新奇"而实施协作机器人。

  • 如何避免？ 定义协作机器人应该解决的具体问题或需求，以及可衡量的目标（例如，提高效率X％，减轻工人在站点Y的负担，改善过程Z的质量）。确保目标与公司战略一致。

• 跳过技术评估可能导致设备选择不当或低估成本和集成时间。

  • 如何避免？ 进行可行性研究，逐步分析过程。咨询协作机器人供应商或集成商。考虑小规模测试或展厅参观，以在实践中验证假设。准确计算ROI，包括购买、集成、工具、培训和停机成本。

• 缩短测试和应用调整阶段。

  • 如何避免？ 规划一个现实的时间表，包括离线测试、实际工作站上的试点和生产启动，并为故障排除留出时间缓冲。让操作员参与测试——他们的反馈可以帮助发现问题。

• 虽然协作机器人可以单独工作，但它总是需要监督和操作。

  • 如何避免？ 在规划阶段就定义操作员在新站点中的角色。建立机器人停止的程序，谁重置它以及操作员是否有授权。确保员工了解他们的角色。

• 忽视安全是一个严重的错误，可能导致事故或与职业健康安全检查的问题。

  • 如何避免？ 将协作机器人视为任何其他受机械指令约束的设备，并进行全面的风险评估，实施适当的措施。如有疑问，请聘请机器安全专家。记住，对机器人协作原则的工作人员培训也是安全元素。

• 协作机器人与任务不匹配（选择错误的型号）：选择不满足所有应用要求的更便宜或可用的型号可能会影响性能和耐久性。

  • 如何避免？ 根据可靠的数据选择型号：所需的范围、有效载荷（为夹具和操作过程中的力量留出余地）和精度。比较不同品牌的规格，并向供应商询问3D站点模拟。

• 缺乏供应商的支持或培训：不充分利用可用的知识资源和支持可能阻碍独立实施。

  • 如何避免？ 使用制造商提供的官方培训和材料（例如，UR、Fanuc、ABB、Doosan）。确保供应商提供本地技术支持。对于第一次实施，特别是在没有经验丰富的员工的情况下，考虑与集成商合作以学习最佳实践。

协作机器人的未来和发展前景

协作机器人市场正在蓬勃发展，预测表明它们在工业中的作用将越来越重要。2022年，协作机器人已经占全球安装的所有工业机器人的约10％，并且它们的份额继续增长（国际机器人联合会（IFR）数据）。

主要趋势和发展前景是：

• 在保持安全的同时提高能力：我们可以期待具有更高有效载荷和范围的协作机器人，仍然符合人类协作标准。"协作机器人"和"工业机器人"之间的界限将变得模糊，经典机器人将配备传感器和安全协作模式。

• 与人工智能和机器视觉的集成：为了扩大任务范围，协作机器人将越来越多地配备先进的视觉系统（2D/3D相机）和AI算法。机器人手腕上允许对象识别和零件方向的相机正在成为标准。未来，由于AI，协作机器人将能够通过演示学习新活动（通过机器学习进行演示编程），工人手动展示任务，机器人自己生成程序。计算能力和云访问（云机器人）的发展将允许从昂贵的电子设备中卸载协作机器人，困难的计算将在云中执行。

• 前所未有的易用性：制造商旨在进一步简化界面，引入语音控制、手势，甚至通过增强现实（AR）进行编程。未来，使用AR眼镜的操作员可以向机器人指出它应该到达的点，系统会自动将其转换为运动程序。另一个趋势是通信标准化（例如，OPC-UA Robotics），使不同品牌的协作机器人更容易与机器和工厂系统（IoT）集成。

• 新的行业和应用：协作机器人将超越典型的工厂，在建筑、农业（例如，水果采摘）或医疗保健（护士助手、康复机器人）中找到应用。协作工业机器人和服务机器人之间的界限将变得模糊。我们也可能看到更多在公共空间与人互动的移动协作机器人，例如提供信息。

• 更好的人机协作：协作机器人的未来是更深入的合作，超越顺序共存。由于改进的控制算法和传感器，机器人可以成为任务中真正的"同事"——例如，与人类共同将螺栓拧到大面板上，对操作员当前的动作做出反应。这种响应式合作可以显著加速以前两名工人必须同步的过程。

总结

协作机器人是一种已经改变生产面貌的技术，在未来几年将变得更加普遍和有用。对于您的公司，特别是在金属加工领域运营的公司，协作机器人可以成为增加生产量、提高质量、减少错误和停机成本的关键元素，同时改善工作条件并有效利用人员执行人类不可替代的任务（创造力、质量监督）。

尽管协作机器人化比传统机器人化更简单，但它需要一种有意识和有条理的方法，包括彻底的分析、规划和可靠的风险评估。从一个站点开始协作机器人试点项目，然后逐步将自动化扩展到其他领域，可以帮助充分利用这项技术的潜力。在工业4.0、数字化和人工智能时代，协作机器人完美契合智能工厂的概念，成为现代生产的支柱之一。

参考文献

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• Zbigniew Pilat, Wojciech Klimasara, Marek Pachuta, Marcin Słowikowski, Michał Smater, Jacek Zieliński, 在工业环境中实施的各种制造技术中实际实施协作机器人的可能性, 测量自动化机器人 2018
• IFR世界机器人2023关键要点 https://statzon.com/insights/ifr-world-robotics-2023#:~:text=IFR%20World%20Robotics%202023%20report,performance%20and%20fully%20digital%20production
• Mariusz Głowicki, 协作机器人 - 协作机器人集成中的安全问题, 2017年4月第4期