为何协作机器人能够兴起?丨协作机器人-激烈的市场谁能杀出重围

机器人大讲堂特邀作者包文涛先生以“协作机器人——谁能在激烈的市场杀出重围”为主题,为大家带来系列深度文章。

(包文涛,哈尔滨工业大学机器人研究所工学硕士,在机器人和工业自动化领域有超过10年的专业经验。曾任职于ABB集团,先后在新加坡、美国、加拿大等地工作,在产品管理、技术方案、项目工程、服务以及组织建设和发展等方面拥有丰富的本土和国际化的知识和经验。)

2007年以来,协作机器人开始进入工业,探寻各种应用场合下推广使用的可能。进入2014年后,协作机器人行业高潮迭起,无论资本投入还是企业规划,协作机器人成为炙手可热的机器人方向。然而协作机器人有多种不同的技术路线,有已经证明的可行的模式,也有仍然在试错的路上,更多的一波又一波创业公司在资本的推动下涌入,道路崎岖,前程未知。

系列文章将从下面几个方面试图解释协作机器人的发展,及探寻激烈的市场下能够存活的缘由:

2017年9月,国际机器人联合会(IFR)发布了2017-2020年市场预测。其中在其主体报告中,着重强调了未来的趋势:

我们把国际联合会的趋势总结概括一下,可以用下面一句话总结:简单易用、灵活、安全协作型的机器人,会更适应中小企业和全球性企业等不同生产的需求的需要,成为工业机器人发展的最主要趋势。

为什么协作机器人能够兴起成为机器人发展的趋势?这个话题要从机器人诞生至今的应用及技术积累的成熟度谈起。其中有一款经典的机器人在推动机器人学的发展中起到了非常重要的作用。

世界上第一台真正意义上机器人发明者是恩格尔伯格。1959年,恩格尔伯格和德沃尔发明了世界上第一台工业机器人Unimate,它采用液压执行机构的它庞大而又笨重,只能完成最简单的搬运动作。

恩格尔伯格是工业机器人的发明者,其创立的公司是工业机器人的先驱。这家叫Unimation的公司的产品,仍然活跃在机器人界,只不过Unimate这个产品的名字不常见,取而代之的是一个叫Staubil公司集成和发展了Unimation公司的产品,这个是后话。

Unimation公司在机器人界占据非常重要的地位,让我们先看看这家公司的历史。创始人恩格尔伯格1925年生于纽约,先后获得哥伦比亚大学物理学士和电子工程硕士学位。1950年,恩格尔伯格读到了阿西莫夫的小说集《我,机器人》(I, Robot),爱不释手,产生了制造机器人的念头。1956年的一场酒会,他偶遇发明家德沃尔(George C. Devol)。后者提到,他刚刚申请了一个专利,叫做“可编程的用于移动物体的设备”(Programmed Article Transfer)。恩格尔伯格脱口而出,“这不是阿西莫夫笔下的机器人吗!”两人一拍即合,决定合作创立一家生产机器人的公司——Unimation。

1958年Unimation产生了一个机械手臂,它实际上类似于人手臂的形状,也就是我们现在俗称的机器人。这台机器人具有类似人手的灵活度,但是机器人的成本也非常高,根据当时的情况只有大公司才能用得起。鉴于此,恩格尔伯格将机器人的用户瞄准了大公司。

1961年,经过长时间努力和说明,通用汽车在新泽西州的一个工厂安装使用了第一台Unimation的机器人。这个是历史可查的第一台机器人用于工业。这台机器人和人相比,在使用中有明显的优势,比如机器人可以在例如焊接、搬运等重复性的场合,不知疲倦,效率很高;同时在有毒或者其他危险的场合,也比人更有优势。

通用汽车开始订购更多的机器人,安装在各地的工厂,承担的工作扩展到焊接、油漆、粘合和装配。这种使用使得通用汽车率先自汽车行业实现了自动化生产,巩固和扩大了通用汽车在行业领先地位。于此同时福特汽车、克莱斯勒等其他汽车公司纷纷跟进,将机器人用于各自的汽车生产流水线。

Unimation后授权其技术给川崎重工和GKN,在日本和英国分别制造Unimate机器人。后续日本汽车工业开始引进机器人,在生产线开始部署使用机器人来代替人工操作。日本人以其工作认真、做事精益的作风将机器人的使用的价值充分发挥。后来,日本诞生了许多世界级的机器人公司,从最开始引进机器人技术的川崎公司,到后来合资成立的发那科,安川等,日本机器人公司在机器人界占据了重要位置。

汽车大规划生产使用的机器人,我们一般称之为传统机器人。机器人进入工业生产,其在汽车行业一直占据着举足轻重的位置。据统计,2010年之前,全世界用于汽车工业的机器人也已经达到总用量的37%,用于汽车零部件的工业机器人约占24%,加起来用在汽车行业的比例超过50%,在有些国家可能比例更多,比如美国、欧洲、日本等发达国家。

这样,机器人的应用在汽车行业有了广泛的应用基础。各机器人公司的产品形态涉及更为广泛,其中串联机器人技术最具竞争力,在各个场合串联机器人的应用范围也最为广泛。

2003年,Esben stergaard在南丹麦大学接受一个课题研究,就是为食品行业寻找方便使用、灵活、能满足产品切换的解决方案。他和合作伙伴Kasper Sty 和 Kristian Kassow 找遍市场上所有已经存在的机器人,也都无法找到一款能满足灵活易用、无需特殊防护就能使用的机器人。当时机器人市场的主要产品是大型、昂贵且笨拙的机器人。我们在《揭秘Rethink公司为何倒闭!“协作机器人-激烈的市场谁能杀出重围”》中也提到,Rodney Brooks在为iRobot寻找能够代为生产的工厂时,发现现有的工厂无法满足生产要求的需求,这是萌发要做一款容易使用、价格便宜的机器人的初衷。至于这段历史,网上无更多公开的消息。iRobot之前的业务并不集中,其中军方配合的项目在成立公司的头10年里是主要的业务,iRobot 涉及民用服务机器人在2002年后,这个是公司能否发展壮大并且上市的主要的原因。在Rodney Brooks2008年成立Rethink公司前,我们推测应该是2005-2007年间,他发现工厂的生产和他需要的生产并不匹配,继而萌发要创造一款易用、灵活、价格低廉的机器人。

2005年,Esben stergaard,Kasper Sty 和 Kristian Kassow 创立了Universal Robots (优傲机器人), 基于一个理念:“要研发一种易于安装和使用的轻型机器人”,并且致力开发中小企业也能承受的机器人技术, 这个想法和后来的Rodney Brooks创立 Rethink公司初衷类似。同年丹麦国家投资基金批准了Syddansk创新投资基金的企划书,并会同Syddansk创新投资基金参与了对Universal Robots (优傲机器人) 的投资和管理。后来Universal Robots (优傲机器人)的产品获得了广泛关注,到目前为止UR机器人在协作机器人厂家中市场份额最大,引领者协作机器人行业的发展。

2000年之后,我们看到机器人使用方式迫切需要转型。机器人使用集中的汽车行业,在发达国家很少再有大规模的工厂上马。例如,最近宝马汽车在一份声明中表示,将投资10亿欧元(合11.7亿美元)在匈牙利新建组装厂,这是近二十年来宝马在欧洲建的首家工厂;另一方面,规模化的工业生产从2000年后慢慢开始转移到亚洲等人力低成本的国家。规模化的生产企业,借助中国、越南、泰国等人口红利,渐渐地把工厂从欧洲转移,甚至低成本的工业消费品生产企业逐渐关闭,因为进口发展中国家的产品价格更为便宜。我们说逐利是资本主义万恶的源泉,对于企业竞争来讲,这是一个无法忽略的事实。

以欧洲为例,规划化的工业生产转移之后,欧洲无法转移的中小企业(Small and Medium Enterprises)有非常多。中小企业是世界各经济体的重要组成部分。各经济体对中小企业的界定标准不尽相同,且随着经济的发展而动态变化,但中小企业在经济体中扮演的关键角色却不容置疑。在欧洲,商业活动的 95 以上%由中小企业完成,60%-70%以上的雇员服务于中小企业。在美国,中小企业数量已占全部企业总数的 99.9%,除务农人员外约 有 1.2 亿工人,其中 50%在中小企业工作。例如食品行业在欧洲就是一个广泛存在的行业,它供应在欧洲居民每天食用的奶酪、面包、蔬菜等,由于供应量和保质期的原因,其生产不可能转移到其他国家,这样这些生产就必须要保留在本地。

任何一种新产品和新技术的推出,都是在当前产品的基础上迭代更新,推出更为完善的产品,机器人行业也是如此。

80年代,一款经典机器人的出现对于机器人学的发展起到了非常重要的推动作用,那就是——PUMA-560。

PUMA-560机器手也是Unimation公司的产品,是一款在机器人历史上经典的工业机器人, 它有6自由度,负载2kg,采用直流伺服。PUMA-560采用类人的手臂的机械结构, 由一系列刚性连杆和通过一系列柔性关节交替连接而成串联链接结构。关节之间采用连杆,连杆在和人的手臂连接类似, 通过中间的活动关节分别连接类似于人的上臂和下臂, 整个机械手和人类比的话,本体相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。

Puma系列机器人的诞生,在工业和科研领域都有重要影响。机器人的初学者都是以这款机器人为基础,正逆运动学的问题通过解析法和迭代法等传统计算方法进一步验证和改进。机器人学的一系列经典教材均用Puma560为教具来讲工业机器人的理论。如美国人付京逊的《机器人学》作为机器人学的经典教材,直到今天内容仍然比较完善,在国内几个著名的机器人研究所,作为研究生的教材仍然有不少人在使用。

机器人动力学和运动学的发展,是随着新型传动与驱动机构以及智能与软物质材料的出现,可以预计柔性化、软性化、可变化、微型化和控制智能化,让新型功能机器人的出现有可能。

机器人的各种形态和作动仍然类似生物体的仿生体,这种结构注定从Puma到新的机器人出现都不应该有较大偏离。例如新能源汽车,虽然内部的结构已经发生很大改变,但是在形态上和传统燃油汽车仍然一样,汽车没有变成6个轮子或者长相怪异。汽车内燃发动机被新型交直流电机取代,加注的燃油被可以反复充电的镍氢等电池取代。变化的结果是新能源汽车在性能上让人车交互等新型智能网联系统更为完善,满足人的多样性的需求,继而进一步激发人们购买的热情。

传统机器人在部署60年后,越来越突出的瓶颈就是交互性不够。交互性体现在三个方面:

易用性最为直接是拖动示教。借助机器人的动力学模型,控制器可以实时的算出机器人被拖动时所需要的力矩,然后把提供该力矩给电机使得机器人能够很好地辅助操作人员进行拖动。力矩的计算如下列公式所示:

公式中的是通过逆动力学算得的电机所需要的力矩,其计算公式包括惯性力项、科里奥利力 和离心力项、重力项 以及摩擦力项。而当中的根据选择的摩擦力模型可以分解为粘性摩擦力项、库仑摩擦力项以及补偿。

摩擦力的计算是相对复杂的数学模型。基于目前技术的实现方式,有无传感补偿技术;加外置力传感器反馈优化模型计算;弹性装置伸缩模型计算等。这一步每家机器人公司均有独特优势,可以达到无重力拖动示教功能。

机器人要增强和人的互动性,还需要把机器人当成工具使用,这就要求机器人的使用更加灵活。机器人本体重量必须要轻,在需要的场合,工人可以任意搬动和简单安装,机器人尽快投入使用。

中空无框电机直接集成至关节轴中,组成模块结构。电机可嵌入机器人底座中,并直接驱动负载,可进行高精度的水平运动和力度控制。在操作过程中,它们能识别对象的大小和柔性,并相应地调节所施加的力。模块结构,可以让同类型的关节之间实现更快互换,技术机器人关节出现问题,可以在10-30分钟之内完成互换。

于此同时,机器人本体的重量进一步降低,可以实现净重和承载力的特殊比率,这些都是先进的轻质结构带来的结果。

机器人和人交互,必须要保证的是人类安全,碰撞检测是协作机器人务必要达到的功能。

传统机器人也有碰撞检测功能,但是传统机器人碰撞检测的目的一般是为了减少碰撞力对机器人本体的影响,避免机器人本体或者外围设损坏。

协作机器人碰撞检测的功能是为了解决人和机器人共融的问题。其实现的方式,有借助力感知皮肤,关节力矩传感器,电流估算力反馈模型等方式。在实现的方式上,务必需要体现碰撞力的设置,以满足不同环境下力的灵活设置。

在上述易用、灵活、安全满足要求的前提下,可靠性是无论如何要满足的因素。归根接地,易用、灵活、安全是解决了操作者调试时的难题,这个时间进一步压缩,可能只占机器人生命周期使用时间的10%甚至更少。更多时间,机器人是留在生产线,完成单调周而复始的工作,这个期间工业效率将回到传统机器人的使用模式,工厂将注重考查节拍和产出。协作机器人必须要能达到和传统机器人类似的可靠性要求。

协作机器人从适应生产关系和生产方式出发,注定可以解决从21世纪初开始出现的生产中的难题。协作机器人可以灵活的和人配合,迅速投入生产,部署在如上下料,螺丝拧紧,抛光打磨等应用场合。过去需要长达多天甚至数周才能完成的应用,如今可以缩短到一两天甚至数小时内完成。纵然协作机器人略有缺陷,如负载不高,速度不快,但是纵观生产使用的场合,绝大部分的应用场合均可以得到满足。协作机器人越来越多的案例证明,也让更多的客户有了使用上的信心,协作机器人行业也蓬勃发展开来。

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