協(xié)作機器人：智能制造的下一個(gè)“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(gè)顛覆式的創(chuàng )新產(chǎn)品。它的應用把機器人從傳統的圍欄中解放出來(lái)，表明機器人可以安全地與人類(lèi)并肩合作。從此，協(xié)作機器人作為一個(gè)最新的機器人種類(lèi)將人與機器之間的合作帶入了一個(gè)新的時(shí)代。

人機協(xié)作是大勢所趨

    早在1974年,機器人就已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。然而，40多年過(guò)去了，絕大多數情況下機器人與工人依舊無(wú)法比肩工作。為了避免機械臂或機器人在工作過(guò)程中誤傷工人，在實(shí)際應用過(guò)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(kāi)。

    隨著(zhù)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(lèi)合作完成任務(wù)的需求愈加強烈，工業(yè)機器人必將朝著(zhù)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(gè)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(shí)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(lái)應對制造業(yè)流出歐盟，向低人力成本國家轉移的趨勢。

    不過(guò)，當時(shí)的協(xié)作機器人都是由傳統機器人改造而成，對工業(yè)機器人市場(chǎng)并沒(méi)有產(chǎn)生太大的影響。

    目前，工業(yè)機器人主要用來(lái)在車(chē)間里完成簡(jiǎn)單、繁重的重復性工作，如移動(dòng)物體到指定位置、定點(diǎn)焊接、噴涂等。而那些需要具備觸覺(jué)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(wú)法勝任。從ABB公司的“YuMi”開(kāi)始，真正的協(xié)作機器人的出現滿(mǎn)足了人機協(xié)作完成較為復雜任務(wù)的需要。

協(xié)作機器人在全球市場(chǎng)嶄露頭角

    全球工業(yè)機器人市場(chǎng)增長(cháng)迅速。根據壹行研（Innova Research）的數據，2015年全球工業(yè)機器人出貨量總計25.3萬(wàn)臺，市場(chǎng)銷(xiāo)售額達到98.1億美元。壹行研預測，到2020年，全球工業(yè)機器人的出貨量將會(huì )達到91.9萬(wàn)臺，銷(xiāo)售額達到約233億美元。

    在中國，隨著(zhù)勞動(dòng)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、精細化方向轉變，工業(yè)企業(yè)對包括工業(yè)機器人在內的自動(dòng)化、智能化裝備的需求正在快速增長(cháng)。壹行研數據顯示，2015年中國工業(yè)機器人市場(chǎng)出貨量為4.7萬(wàn)臺，銷(xiāo)售額超過(guò)13億美元。

     預計到2020年，中國工業(yè)機器人出貨量將達到18.4萬(wàn)臺，銷(xiāo)售額將超過(guò)32億美元?？梢钥闯?，中國工業(yè)機器人市場(chǎng)的增長(cháng)速度將遠遠超越全球工業(yè)機器人市場(chǎng)的發(fā)展速度，成為未來(lái)5年全球工業(yè)機器人市場(chǎng)增長(cháng)的亮點(diǎn)。

     值得注意的是，兩年前才開(kāi)始批量出貨的協(xié)作機器人已經(jīng)開(kāi)始在全球機器人市場(chǎng)嶄露頭角。全球工業(yè)機器人四大巨頭無(wú)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(yáng)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(huì )上，首發(fā)了國內領(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)內耳熟能詳的企業(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(chē)行業(yè)是工業(yè)機器人最大的應用市場(chǎng)，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(chē)應用市場(chǎng)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，其他機器人供應商很難進(jìn)入，市場(chǎng)規模第二的電子行業(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(chē)和電子兩大機器人應用市場(chǎng)外，未來(lái)工業(yè)機器人還會(huì )大量進(jìn)入其他工業(yè)應用市場(chǎng)，比如醫藥、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(lái)說(shuō)，價(jià)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工業(yè)機器人更容易受到歡迎。 

    基于以上的判斷，壹行研預計未來(lái)5年協(xié)作機器人市場(chǎng)出貨量的增長(cháng)速度將比傳統工業(yè)機器人更加快速，到2025年，全球協(xié)作機器人市場(chǎng)規模有可能超過(guò)100億美元。到那時(shí)，協(xié)作機器人與工人緊密合作的場(chǎng)景會(huì )逐步成為車(chē)間里隨處可見(jiàn)的靚麗風(fēng)景線(xiàn)。

技術(shù)是關(guān)鍵

    現在市面上出現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(lái)從事重復的規定動(dòng)作。不過(guò)，未來(lái)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(lèi)的配合也將更為緊密。

    要使機器人與人類(lèi)更加親密地合作，人類(lèi)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(dòng)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(gè)超過(guò)設定值的阻力（如50～150牛頓，阻力值可以調整）就會(huì )自動(dòng)停止運行，這確保了機器人在運動(dòng)過(guò)程中不會(huì )誤傷人類(lèi)和其他設施。

    另外，協(xié)作機器人個(gè)頭比傳統工業(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，很多還采用了內骨骼的設計方式，外面包裹了軟質(zhì)材料。這種設計除了不易對人產(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(lái)，協(xié)作機器人應朝著(zhù)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、認知和執行能力來(lái)完成一些復雜的、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(lèi)進(jìn)行有效溝通的能力。這些都需要未來(lái)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(jìn)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(shí)現人與機器人之間的信息傳遞，及時(shí)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)應用了比較先進(jìn)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(guò)手工移動(dòng)機器人的機械臂進(jìn)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的動(dòng)作。未來(lái)，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(jìn)一步的發(fā)展，其主要發(fā)展方向包括視覺(jué)和語(yǔ)音交互 、力覺(jué)和觸覺(jué)交互等。

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

    這些柔性執行機構能夠根據接觸外界環(huán)境時(shí)反作用力的大小調整自身的行為，也就是“知道輕重”，并根據任務(wù)不同而調整自身的力度，從而保證了操作的安全性，尤其是在與人一起工作時(shí)的安全性。未來(lái)，協(xié)作機器人的大規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(jìn)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)習能力。云機器人就是云計算與機器人的結合，協(xié)作機器人的云機器人化是未來(lái)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(shí)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(gè)更智能的“大腦”，增強單個(gè)機器人執行相對復雜的任務(wù)的能力。同時(shí)，云計算技術(shù)的應用也使得分布在世界各地、具有不同能力的機器人開(kāi)展合作、共享信息資源，使完成更大、更復雜的任務(wù)成為可能。

    云計算技術(shù)還可以擴展機器人的應用領(lǐng)域，加速和簡(jiǎn)化機器人系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程，未來(lái)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(jìn)化更加迅速?？梢韵胍?jiàn)，由于不需要大量存儲器件和超強的計算能力，單個(gè)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(lái)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(gè)“風(fēng)口”

    協(xié)作機器人從初級產(chǎn)品問(wèn)世到現在還不到10年，因此這個(gè)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(shí)力。2014年6月，美國工業(yè)自動(dòng)化設備公司泰瑞德斥資2.85億美元收購了協(xié)作機器人行業(yè)的先驅——從2005年起就開(kāi)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(huì )(CeMAT Asia)”上，庫卡公司與領(lǐng)先的自動(dòng)化倉庫與自動(dòng)化物流配送系統供應商Swisslog公司共同發(fā)布了一款人機協(xié)作的訂單揀選系統。在該系統中，協(xié)作機器人和工人可以并肩工作處理訂單分揀任務(wù)，由機器人連續不斷地處理重復性的工作，而工人則可以從事其他復雜的業(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(chē)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(chē)公司位于德國科隆的工廠(chǎng)正式亮相。該款協(xié)作機器人主要的任務(wù)是安裝汽車(chē)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(gè)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(yáng)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(shí)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(zhù)協(xié)作機器人市場(chǎng)增長(cháng)趨勢愈加明顯，國內機器人領(lǐng)先企業(yè)將會(huì )更加積極地投入研發(fā)，國內投資人的目光也將慢慢轉向協(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(gè)投資和技術(shù)研發(fā)“風(fēng)口”。

會(huì )取代傳統工業(yè)機器人嗎？

    協(xié)作機器人是一個(gè)顛覆性的創(chuàng )新。其顛覆性不僅表現在協(xié)作機器人可以與工人并肩合作，改變人與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(lái)能被數量龐大的中小企業(yè)用于部分替代工人的重復勞動(dòng)，從而有效提高廣大中小企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率。

    協(xié)作機器人的價(jià)格大約只有傳統工業(yè)機器人的一半，而且易操作、安全性高、可以移動(dòng)，具有很強的靈活性，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單調試就能適應多種任務(wù)，所以協(xié)作機器人未來(lái)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(chē)和電子兩大工業(yè)應用的格局，轉而滲透到中小企業(yè)扎堆的醫藥、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(guò)，協(xié)作機器人與傳統工業(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(dòng)，所以重復定位精度比傳統工業(yè)機器人差一個(gè)數量級。因此，對于精度要求特別高的生產(chǎn)任務(wù)，協(xié)作機器人現在還不能符合要求。同時(shí)，由于怕傷到一起工作的人類(lèi)，現階段協(xié)作機器人的動(dòng)作被有意設計得比較慢，因此在生產(chǎn)效率上也不如傳統工業(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(chǎng)的快速增長(cháng)也是大勢所趨，壹行研預測在未來(lái)10年內全球協(xié)作機器人市場(chǎng)的收入增長(cháng)將明顯快于傳統工業(yè)機器人市場(chǎng)，并在2025年達到100億美元的規模。不過(guò)，協(xié)作機器人并不能取代傳統工業(yè)機器人。協(xié)作機器人仍將作為工業(yè)機器人的一個(gè)重要的分支，在未來(lái)很長(cháng)的時(shí)間內將與傳統的工業(yè)機器人共存，并共同發(fā)展。

    展望未來(lái)，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(shí)上，人機協(xié)作在軍事、安防、農林、醫療等專(zhuān)業(yè)服務(wù)機器人領(lǐng)域也同樣是一個(gè)確定的發(fā)展趨勢?？梢灶A見(jiàn)，未來(lái)協(xié)作機器人必將走進(jìn)應用更為廣闊的服務(wù)機器人領(lǐng)域。