深度报道 | 协作机器人的崛起

虽然仍处于起步阶段,快速发展的人机协作(HRC)在最近两年依然取得了显著的技术进步。毋庸置疑,雄心勃勃的创业企业对于培育一种新型的协作机器人有着狂热的热情。

不甘人后,传统机器人在关系中应处于核心地位。他们很快指出,他们首先进入了HRC关系中,创新并未就此停止。大家都同意,因此有了更多的协作空间。

“它激发了创新,”FANUC美国客户经理Chris Blanchette说。“很多公司都推出了相关的解决方案,尽管他们并不一定涉足工业领域,但是他们好看这一块的需求,几乎每个公司都进行了相关的创新,并推出了工业化的解决方案。”

他们都在创新。从双臂机器人到单臂机器人要摆脱产业壁垒,协作机器人已经比我们意识到的时间存在得更久。各厂商纷纷将自己品牌的技术集成到HRC空间。很多将在本月芝加哥的IMTS 014上展出。新的双臂机器人也将加入竞争。

双手臂,双视觉

那智展示了它的13轴、双手臂的概念机器人。它有一个配备了立体视觉的头,躯干部位还连接了两条6轴的手臂。第十三轴位于腰部,它让机器人可以旋转运动以观察周围的环境,并拾取部件。

“多年来,我们一直在为协作机器人而努力,”那智公司总裁Mike Bomya说。“我们的双臂机器人是针对创立协作机器人的多种技术进行测试的。”

Bomya说,双臂机器人主要针对需要高灵敏度的组装生产线应用。每个手臂的载重为7公斤,重复精度为+/- 0.02毫米。所有的布线都藏在轻便的铝制身体中。

那智的双臂机器人遵守人机协作操作的机器人安全标准ISO 10218和ANSI/RIA R15.06,也同样遵守加拿大的CAN/CSA-Z434标准。产品的正式发布日期尚未公布。

那智并不是唯一在IMTS上展示协作机器人的传统机器人制造商。

大黄色变为绿色

FANUC展示了一个不带护栏的绿色机械臂,柔软的橡胶外壳旨在保护工人在意外接触中不受到伤害。这是一个传统工业机器人和新型协作机器人的过渡产品,FANUC的协作机器人样机已经内置了力传感器,载重为35公斤。

这种无保护架的设计是集成了采用罗克韦尔自动化的安全传感器的FANUC双重检查安全技术,允许人与机器人可以在特定的安全区域内协同工作。

FANUC表示,该产品将于2015年年初发布。

虽然建立了机器人社区,后起之秀们也在芝加哥竞相吸引人们的注意力,苏黎世依然传出了另一个双臂机器人的新闻。

我和你的协作

总部位于瑞士的ABB宣布,它的新型双臂协作机器人YuMi?将于2015年4月的德国汉诺威展会正式发布。

YuMi在英文中是“你和我”协同工作的简称,这是双臂概念机器人的新命名,取代了传统的名字DACR。ABB表示,它跟2011年首次推介并抓住科技媒体眼球的FRIDA并不是同一个机器人。YuMi是一个全新世代的产品。

今年三月,在北美密歇根州奥本山举行的ABB科技日上,这个手臂机器人已经完成了首次亮相。与会者因为它的小巧身材而感到惊讶。ABB小型机器人全球产品经理Phil·Crowther解释说,这个机器人是设计安装于目前预留给人类的工作站中的。双臂的宽度不足一米,机器人的紧凑尺寸最大程度减少了生产中的占用面积,同时仍保持了类似人类的地方。

由于是无保护架设计,机器人并以软性材料包裹,同时配备创新的力传感技术,从而保障了人类同事的安全。YuMi采用白色外观,也比ABB机器人传统的橙色更亲切。

今年早些时候,该公司宣布,所有新的ABB机器人都采用白色以适应人与机器人协同工作的新时代,这被许多业内人士看作是机器人产业和制造业的未来趋势。

ABB称,YuMi主要是为小件装配而设计的新兴机器人,特别是消费电子领域。小件装配解决方案包括软性化的手、灵活的上料、力控制传感、视觉引导和机器人制造商的控制及软件技术。

Spurs医疗创新的轻型机械臂

作为自动化的领先制造商,KUKA也推出了它新一代的LBR.iiwa。最初的设计是与德国航天中心(DLR)协作,这个轻型的6轴机械臂已经在航天项目中存在了很长一段时间。在KUKA展台上展出的大部分应用都是 LBR从堆积的食物餐盘和电视演播摄像机中抓取,以模拟骨科手术。

“最初的LBR我们采纳了DLR的在所有七个关节中都集成了力矩传感器的模式,”KUKA新兴市场销售总监Mike Beaupre说。“相较于只使用电机扭矩,机器人反应更灵敏也更快速。在医疗应用中,我们并没有在机器人的末端增加一个额外的6自由度力矩传感器。所有 都纳入了机器人技术中。”

Beaupre说,大部分的LBR都应用于医疗相关领域。“还有很多研发正在进行中,包括一些外科手术应用,例如膝和髋关节置换手术。另外一个例子是外科医生的第三只手臂,作为助理的角色拿着夹具或者设备站在固定位置。”

KUKA为LBR的医学以及服务应用机器人换上了白色的身体而不是传统的橙色。全球各地的研究人员都在用灵活的机械臂为人机协作进行着不同应用的尝试。

不是那些固定在某个位置的机器人,协作机器人是一直在移动的。

移动的协作机器人

Adept Lynx® Handler是一个结合了自主智能车的四轴SCARA协作机器人,主要用于输送以及装载/卸载半导体晶片以及其他零组件。Handler可以在狭窄的通道以及有人的无尘或者吵杂环境中安全地移动。

“整个系统的目的是在一个与人共享的环境中工作,”Adept首席技术官Deron·Jackson博士解释道,“在移动基座上的SCARA机器人有功率和动力的限制。它碰到人时,不会超过ISO10218标准规定的范围就会停下来。该移动基座本身也具有安全壁障评级,它会在人的周围停下来,并具有13849标准定义的安全功能。”

Jackson说,这种协作技术的关键是自主智能车(AIV)的结合,它不断扫描周围的环境并适应它(相对于自动引导车或者AGV,他们主要跟随工厂地面的磁体或涂上的条纹。)再加上视觉引导,SCARA机器人可以精确地取放各种配件。

“我们在移动基座上放置视觉引导机器人,我们可以接近工厂的机器然后用带有臂式(2D)视觉摄像头的机械手臂确定产品的位置,并精确地拾起它。”Jackson解释。“现在,我们不仅涵盖了机器人的工作范围,我们可以覆盖整个工厂的工作区,因为机器人是放置在一个移动车辆上的。”

Adept对于AIV的市场定位是应用在工厂地面的车队。Adept的企业软件管理各个车辆的位置以及各个工厂的工作站。当一台机器上完成了一个零件的工序,系统会通知最近的AIV去取回该零件并送到下一个工作站。Adept称,软件可以持续监控整个过程以确保工厂的AIV车队处于最高效的运转状态。

每个机器人都有自己的充电基座,它可以自行定位并给自己充电。Adept Handler一次充电可以工作10小时。

“我们目前在一个客户那里有一个庞大的车队,”Jackson说,“他们的机器人一周七天/二十四小时工作,每天三班倒。他们甚至不需要等待充电。每次换班,他们给机器人更换电池,让它们不停地工作。”

Jackson说,他们的一些集成商合作伙伴正在测试在Adept的移动基座上安装不同的机器人。“我们将继续把Lynx作为一个部件卖给那些想建立他们自己解决方案的集成商”智能移动机器人推动人机协作领域的界限,而先进的软件技术给传统的机器人带来协作空间的新自由。

协作机器人与协作作业

大多数传统的机器人制造商的机器人控制器中,都集成了基于软件的安全技术,然后与各种安全机制结合,如符合安全等级的传感器等,实现了人-机器人的协作作业,包括重载机器人在内。这些技术都已经存在了十数年。

每个机器人制造商的技术各有不同。正如文章前面说的那样,FANUC的是双安全检测技术(Dual.Check.Safety);ABB的是SafeMove;KUKA的是Safe Robot;Nachi的是机器人监控装置(RMU);安川Motoman的是功能安全装置(FSU)。

“它们已经出现了很多年,”FANUC的Blanchette说。“只是在过去几年,安全标准才认为这些早已存在的技术确实是安全的。”

这些技术均已被2013年3月颁布的安全标准包含在内。它们使得机器人单元布局更具创造性和灵活性,并通过减少机器人单元的占地,以及去除不必要的设备和复杂的安全防护,从而最终降低整体成本。

“像我们的DCS技术等一些协作功能对于现有的制造环境来说更实用。” Blanchette解释道。“在DCS的帮助下,你可以做很多事,可以尽可能地减少机器人单元的占地。如果有传感器用于检测出现在区域里的人类,也不需要将这些机器人都围起来。”

Blanchette强调,对人机协作所需的程度的考量很重要。让机器人发挥其核心优势——速度和重复性——仅在必要的时候限制其运动。

“最近几年我们在新闻中看到新进者对‘协作机器人’的实现方案就是降低机器人的载重和速度,这样机器人就变得‘安全’或者说是可以与人一起协作了。”俄亥俄蒙哥马利的安川Motoman战略企划总监Tim·DeRosett说。

DeRosett指的是市场上出现的通过限制功率和力度的方法以允许进行人机协作的新型机器人。这些机器人宣称是“本质安全”,而且尽管在自动化领域里还有一定的市场,但是和它们传统的竞争对手相比,载重更低、速度更慢而且精度也不够。

“在许多应用中,用户需要移动重物并且移动的距离也较大,因此机器人的运动范围要求比较大,而且还有生产量的要求。” DeRosett解释道。“你不能单纯地降低载重速度和性能。那样做很不现实。”

安川通过其安全功能装置(FSU)实现了“控制协作”,并且支持带有安川最新控制器的多数Motoman机器人。

“我们FSU的方法是在正常工作时,保持机器人的性能;当操作人员在工作单元内的某个特定区域时,降低机器人的速度,并在控制可靠和安全的模式下进行。”DeRosett表示。“例如在特定区域里的操作人员需要装载或移动零件,机器人能够在该区域外慢速动作。当操作员离开工作区域后,机器人将恢复高速运行状态。”

80/20法则

很多传统的机器人制造商都宣称主要的工业机器人应用都只需最小的人工干预,重要的是更高的载重。这种想法是让机器人能够在满足条件的情况下以最优的速度工作。没有围墙的机器人不一定总能满足这一的要求。

“用物理防护把机器人围起来,避免人-机干涉的原因有很多。”安川技术总监Erik Nieves说。他列举了焊接烟尘、飞溅以及电弧闪光等几个例子。此外,他还表示要考虑系统的卫生和正常工作时间,特别是在该区域随时可能有人进入时。

Nieves指出机器人80%的时间都在做它的重复工作,只有20%的时间会和人互动。另外,他认为80%的机器人搬运应用都需要超过20磅的载重。他说,在这种情况下,通过控制来实现协作是在生产过程中增加人类技能的唯一途径。

冗余安全协作

ABB早在2009年就展示了其相关的技术和人机协作作业。

“我们设计的SafeMove能够让你和机器人的配合更紧密,并且不会造成伤害。” 密歇根州奥本山的ABB机器人技术和支持经理Nicholas·Hunt说。“机器人采用特定的方式检查自己的位置。我们使用了一颗CPU去控制机器人的轴,并采用另外一个运行相同代码但完全不同的CPU获取反馈。它们会不停地对采集的数据进行比对,如果两者之间有任何的差异,机器人会自动关闭。”

SafeMove通过将机器人的运动范围限制在应用所需的区域内,可以节省占地面积。如果限制速度,还可以减少机器人与光幕等外围设备之间的距离,从而进一步减少机器人单元的面积。

Hunt表示,航空业很快就意识了此概念的价值。“刚开始,他们对此感到很惊讶。‘你们再也不需要用围栏了?’他们不敢相信他们眼前的实事。”

手术室中的人机协作

在工业领域之外,KUKA的安全机器人和安全操作技术已经让人与机器人共享空间持续了超过十年。这些技术蕴含在该公司用于娱乐和医疗应用的专业的服务机器人里面。

“回到2000年,我们的管理层决定将娱乐和医疗业务当作我们的未来,对这项技术的发展带来了很大的促进。在这些领域里,我们现在可以让人和机器人在一起工作,而不是躲在栅栏后面,”KUKA的Beaupre说。“我认为那个决定将我们带入了一个我们以前不能触碰的领域。”

“我们有一个客户,位于加利福尼亚州桑尼维尔的Accuray,他们有一个用于放射治疗的CyberKnife®系统,”Beaupre继续说。“该系统使用 我们的机器人操作他们位于患者周围的线性加速器和X光源,能够精确地将高剂量的辐射投射到肿瘤上。采用机器人的最大优势是可以在患者周围多实现个维度的运动。同时系统的患者定位也采用了我们的机器人技术,他们能够治疗人体的任何部位,且不会危害健康的组织。”

Beaupre承认公司早期开发KUKA轻型机器人主要是针对医疗领域。“我们开始整体人机协作的概念时,不仅仅考虑了人和机器人在同一个空间下作业,还考虑了怎样手拉手作业。”

“有了这种技术,我们就能够设置参数监视工作区域,轴加速度,轴的速度,还包括笛卡尔速度等,”Beaupre解释道。“此外还可以实现其它的功能,如停顿监控,这对于工业应用特别是汽车工业的应用非常重要,它能够让操作人员直接给机器人传递零件,反之亦然,而在最开始的时候要实现这样的作业,只能将机器人关闭。”

惊悚之旅

据Beaupre介绍,2001年开发的RoboCoaster将人机协作提升到了令人震惊的新水平。

“我们是唯一一个拥有载客机器人的机器人公司。我们实际上已经重新开发第二代产品。希望能够在年底完成,并开启一个全新的市场。”

Beaupre表示最新一代将是初始版本RoboCoaster的简化版。兼容了遵循全新标准的安全操作(Safe.Opertaiton)。

“人们从没有如此地接近或者说贴近机器人。是对速度、加速度和场景的监控让我们实现了这些。”

之前,挑战者们还需要穿过一系列的梯级从高架平台上登入RoboCoaster。

“平台可以伸缩,” Beaupre解释道。“接触臂通过冗余接触用于确认机器人的位置。我们的客户经常会遇到维护的问题。但是在Safe.Operation的帮助下,可以很轻松就解决。现在机器人能够直接就到地上。”

不管你将这些功能称为Safe.Operation、SafeMove、RMU还是FSU。不管这些机器人是白色还是绿色,单臂还是双臂,它们都在以它们自己的方式与我们进行协作。2015年对于人机协作来说,或许将是激动人心的一年。

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2014-10-14

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