人机协作机器人:工业机器人发展新形态

人机协作机器人及其优势

人机协作机器人(Collaborative Robot),是指在同一空间区域内能与人直接进行交互合作的工业机器人。它采用创新的安全技巧,完全无需在人类与机器人之间设立安全屏障,从而实现机器人与人类的合作共事。

与传统工业机器人相比,人机协作机器人轻巧灵活、操作简单,在制造业中优势突出。第一,人机协作特性能够提高生产效率。传统工业机器人基于安全考虑,通常会隔离作业区以确保人员安全,人机互动性不足;而人机协作机器人能够将机器人从护网中解放出来,同工人一起参与生产,从而提高员工生产效率。MIT研究人员在BMW工厂的研究数据表明,人机协作能够减少85%的工作空闲时间。第二,人机协作机器“灵巧作业”特性能够满足柔性化生产需求。传统工业机器人基于汽车工业及其它大型装配生产线的需求,一般体型庞大、操作复杂,往往由专业人士来完成。而人机协作机器人操作简便,特别适合中小企业的业务多样而小负载的工作,能够满足个性化、柔性化制造的需求。

总而言之,人机协作机器人因其诸多特性优势,能够满足社会个性化需求的发展,正在推动工业机器人发展进入2.0时代,也代表了未来制造业变革的发展模式。

人机协作机器人发展面临形势

世界正处在新科技革命和产业革命的交汇点,以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起,而以人机协作机器人为代表的工业机器人正在引领新一轮工业机器人产业革命。国际、国内均将人机协作机器人发展纳入国家发展战略。

(一)全球工业强国纷纷加紧人机协作机器人布局

美国发布《国家机器人计划2.0》,加快人机协作机器人攻关。2016年11月,继2011年启动的“国家机器人计划”(NRI)之后,美国国家科学基金会联合美国国防部、国防部高级研究计划局、空军科学研究办公室、能源部等政府机构发布了“国家机器人计划2.0”(NRI-2.0)。该计划将在旨在实现泛在协作机器人的愿景,使机器人如同现有的汽车、计算机和手机一样成为常见之物。该计划每年将投入3000-4500万美元,用以支持40-70个项目。

日本发布《机器人新战略》,意图在协作机器人领域取得先发优势。2015年1月,日本国家机器人革命推进小组发布了《机器人新战略》。战略认为机器人将从被操纵作业向自主学习、自主作业方向发展,并指出日本机器人发展的一大方向是要发展能够满足柔性制造的频繁切换工作部件简便的机器人,人机协作机器人成为其重要布局。

德国工业4.0战略中,人机协作机器人构成智能工厂的重要内涵。工业4.0战略布局的重点是创造智能产品、程序和过程,其中,智能工厂的建设成为重中之重。在智能工厂里,人、机器和资源如同在一个社交网络里一般自然地相互沟通协作,而人机协作机器人是让人机安全共处、共同完成任务的关键,构成智能工厂的重要内涵。

(二)人机协作机器人已写进我国产业发展战略

人机协作机器人被列入机器人十大标志性产品行列。2016年3月,工信部等三部委联合发布《机器人产业发展规划(2016-2020年)》,明确将人机协作机器人列入十大标志性产品,成为我国重点推进、重点突破的机器人产品之一。

人机协作机器人成为“中国制造2025”对接“德国工业4.0”的全新领域。2017年1月,沈阳远大集团正式与德国核心研发团队——汉诺威大学奥特梅尔教授团队合作,成立中德协作机器人合资公司。这是中德在该领域首次合作,也是“中国制造2025”对接“德国工业4.0”的最新成果。

人机协作机器人发展需求

(一)市场需求

美国市场研究公司ABI最新研究报告《协作机器人的市场行情和当前发展状况》显示,协作机器人市场规模将从 2015 年的9500万美元增至2020年的超过10亿美元,增幅超10倍。此外,全球人机协同机器人出货量将从2015年的2030台增至2020年的40036台,增幅超13倍。

图:2015年、2020年全球人机协作机器人市场规模及出货量

(二)行业需求

传统工业机器人需要一系列方案的设计才能完成部署,因此更适合于大批量、长周期的产品生产,往往应用于汽车工业、重型制造业等领域。协作机器人由于更适应柔性制造的特征,更适合3C类、医药、食品、物流等产品更新换代快、面向个性化定制的行业。目前,手机、计算机、物流等行业市场呈现爆发式增长,也为人机协作机器人提供了广阔应用前景。

3C行业。目前,国内3C行业自动化水平较低,3C行业机器人密度仅为11台/万员工,远小于日韩的1200台/万员工。此外,敏捷制造、柔性制造、精益制造成为3C产品生产企业的发展方向,人机协作机器人特性恰好能满足3C行业发展需求。目前,3C行业对人机协作机器人的需求主要集中在部件加工,如玻璃面板、手机壳、PCB等功能性元件的制造;装配和检测;部件贴标、整机贴标等方面。

医药行业。目前,医药行业自动化水平已经明显落后于其他行业,机器人使用不足。主要原因,一是传统工业机器人的采购成本过高,二是由于医药制造的复杂性,需要对机器人系统做出精细、复杂的编程,导致机器人使用成本过高。人机协作机器人操作简单、价格低廉,能够满足医药行业自动化需求。医药行业对人机协作机器人的需求主要集中在医药加工、装配、检测、分拣、包装、数据管理等方面。

食品行业。食品行业是劳动密集型行业,近年来,国际间食品贸易合作加强,国内食品工业机械化、标准化程度明显提高,但食品工业仍未摆脱“劳动力成本高”的劣势;同时,食品行业对安全性、产出率和产能等提出了更高的要求。食品行业“机器换人”仍待加紧步伐。此外,食品行业中单品种大批量的产品日益减少,多品种小批量的产品日益成为主流,对多元化、具有多种切换功能的自动化机械提出了新需求。食品行业对人机协作机器人的需求主要集中在加工、拣选、包装、码垛等方面。

物流行业。研究显示,物流行业中,80%的物流作业仍由手工完成。而随着电子商务的发展,产品生产、流通效率的逐步提升,人工操作已经越来越难以满足物流活动的要求,物流自动化水平亟待加强(国内整体物流自动化普及率在20%左右,远小于发达国家80%的水平)。同时,由于生产分散化、供应链快速变化特征的显现,对物流供应商提出了敏捷响应的新需求,即要快速灵活的对变化作出时间和地点上的反应。人机协作机器人参与物流行业中,同员工开展协作,既符合行业自动化、敏捷响应的需求,也提升了员工的工作效率。物流行业对人机协作机器人的需求主要集中在存取、包装、装配、运输等方面。

人机协作机器人产业发展建议

(一)转变“人机协作”意识

当前,我国依然具备一定的人口红利以及庞大的产业工人队伍,不能过分强调机器人强于产业工人的概念,应当积极探索研究产业工人与机器人技术相互之间的补充、协同方案,同时借助机器人技术和熟练产业工人两种优势,通过“人机协作”让其呈现出多重共振效应,发挥复合影响力,共同打造产业升级新动力。

(二)强化技术研发

一是加大现代传感技术、智能控制技术、拟人化技术等共性关键技术研发力度,突破产业技术瓶颈。二是充分利用和整合现有创新资源,推进研发平台、应用验证平台和整机及关键部件检测中心的建设工作。三是建设人工智能、感知、识别、驱动和控制等下一代技术研发平台,同时关注没有被现有机器人技术体系所纳入的如能源、大数据、安全和材料等领域的技术创新。

(三)强化示范应用及推广

一是围绕加快发展智能制造的需求,在汽车、电子、物流、生物制药、食品等行业开展自主品牌人机协作机器人的应用示范,典型示范项目优先列入技改专项计划。二是支持人机协作机器人市场推广,支持开展人际协作机器人租赁等新型商业模式,对购置拥有人机协作能力的新一代机器人的企业或行业给予单独补贴或建立专项扶植资金,鼓励企业探索人机协作更多可能性。

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