協(xié)作機(jī)器人：智能制造的下一個(gè)“風(fēng)口”

    2014年，工業(yè)機(jī)器人巨頭ABB公司推出了全球首款真正意義上的人機(jī)協(xié)作產(chǎn)品——“YuMi”雙臂機(jī)器人。這款機(jī)器人是一個(gè)顛覆式的創(chuàng)新產(chǎn)品。它的應(yīng)用把機(jī)器人從傳統(tǒng)的圍欄中解放出來，表明機(jī)器人可以安全地與人類并肩合作。從此，協(xié)作機(jī)器人作為一個(gè)最新的機(jī)器人種類將人與機(jī)器之間的合作帶入了一個(gè)新的時(shí)代。

人機(jī)協(xié)作是大勢所趨

    早在1974年,機(jī)器人就已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。然而，40多年過去了，絕大多數(shù)情況下機(jī)器人與工人依舊無法比肩工作。為了避免機(jī)械臂或機(jī)器人在工作過程中誤傷工人，在實(shí)際應(yīng)用過程中機(jī)器人通常被固定在工位上，并且被一定范圍的防護(hù)欄隔離開。

    隨著機(jī)器人智能化程度的提高，柔性機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人與人類合作完成任務(wù)的需求愈加強(qiáng)烈，工業(yè)機(jī)器人必將朝著人機(jī)協(xié)作的方向發(fā)展。

    協(xié)作機(jī)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(jī)器人巨頭和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈上的其他公司共同參與的研究項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)的研究目的是制造一種中小企業(yè)可以負(fù)擔(dān)得起的、小而靈巧的機(jī)器人，用來應(yīng)對制造業(yè)流出歐盟，向低人力成本國家轉(zhuǎn)移的趨勢。

    不過，當(dāng)時(shí)的協(xié)作機(jī)器人都是由傳統(tǒng)機(jī)器人改造而成，對工業(yè)機(jī)器人市場并沒有產(chǎn)生太大的影響。

    目前，工業(yè)機(jī)器人主要用來在車間里完成簡單、繁重的重復(fù)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或靈活性的工作，比如電子產(chǎn)品的裝配等，工業(yè)機(jī)器人還無法勝任。從ABB公司的“YuMi”開始，真正的協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)滿足了人機(jī)協(xié)作完成較為復(fù)雜任務(wù)的需要。

協(xié)作機(jī)器人在全球市場嶄露頭角

    全球工業(yè)機(jī)器人市場增長迅速。根據(jù)壹行研（Innova Research）的數(shù)據(jù)，2015年全球工業(yè)機(jī)器人出貨量總計(jì)25.3萬臺(tái)，市場銷售額達(dá)到98.1億美元。壹行研預(yù)測，到2020年，全球工業(yè)機(jī)器人的出貨量將會(huì)達(dá)到91.9萬臺(tái)，銷售額達(dá)到約233億美元。

    在中國，隨著勞動(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(xì)化方向轉(zhuǎn)變，工業(yè)企業(yè)對包括工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的自動(dòng)化、智能化裝備的需求正在快速增長。壹行研數(shù)據(jù)顯示，2015年中國工業(yè)機(jī)器人市場出貨量為4.7萬臺(tái)，銷售額超過13億美元。

     預(yù)計(jì)到2020年，中國工業(yè)機(jī)器人出貨量將達(dá)到18.4萬臺(tái)，銷售額將超過32億美元。可以看出，中國工業(yè)機(jī)器人市場的增長速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越全球工業(yè)機(jī)器人市場的發(fā)展速度，成為未來5年全球工業(yè)機(jī)器人市場增長的亮點(diǎn)。

     值得注意的是，兩年前才開始批量出貨的協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)開始在全球機(jī)器人市場嶄露頭角。全球工業(yè)機(jī)器人四大巨頭無一例外推出了自己的協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品。除了ABB公司推出的協(xié)作機(jī)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(jī)器人，庫卡公司推出了名為“LBR iiwa”的協(xié)作機(jī)器人，安川公司則研發(fā)了名為“Dexter Bot”的協(xié)作機(jī)器人。

    中國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)沈陽新松機(jī)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(nèi)領(lǐng)先的七軸柔性協(xié)作機(jī)器人。其他在協(xié)作機(jī)器人行業(yè)內(nèi)耳熟能詳?shù)钠髽I(yè)包括總部在美國波士頓的Rethink Robotics公司、丹麥的優(yōu)傲機(jī)器人公司和日本的Life Robotics公司等。

    目前，汽車行業(yè)是工業(yè)機(jī)器人最大的應(yīng)用市場，電子行業(yè)次之，其他行業(yè)工業(yè)機(jī)器人的普及程度要低得多。由于工業(yè)機(jī)器人最大的汽車應(yīng)用市場已經(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(jī)器人供應(yīng)商很難進(jìn)入，市場規(guī)模第二的電子行業(yè)就成為工業(yè)機(jī)器人巨頭和工業(yè)機(jī)器人新貴角逐的主要領(lǐng)域。

    除了汽車和電子兩大機(jī)器人應(yīng)用市場外，未來工業(yè)機(jī)器人還會(huì)大量進(jìn)入其他工業(yè)應(yīng)用市場，比如醫(yī)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)來說，價(jià)格相對便宜、體積小、靈活性強(qiáng)的協(xié)作機(jī)器人比體積龐大且昂貴的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人更容易受到歡迎。 

    基于以上的判斷，壹行研預(yù)計(jì)未來5年協(xié)作機(jī)器人市場出貨量的增長速度將比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人更加快速，到2025年，全球協(xié)作機(jī)器人市場規(guī)模有可能超過100億美元。到那時(shí)，協(xié)作機(jī)器人與工人緊密合作的場景會(huì)逐步成為車間里隨處可見的靚麗風(fēng)景線。

技術(shù)是關(guān)鍵

    現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的是尚處于初級階段的協(xié)作機(jī)器人，它們主要還是被用來從事重復(fù)的規(guī)定動(dòng)作。不過，未來協(xié)作機(jī)器人必將更新?lián)Q代，變得更高效、更精確、更聰明，同人類的配合也將更為緊密。

    要使機(jī)器人與人類更加親密地合作，人類的安全必須首先得到保障。當(dāng)下協(xié)作機(jī)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(qiáng)。

    協(xié)作機(jī)器人研發(fā)的先驅(qū)之一，丹麥優(yōu)傲機(jī)器人公司出產(chǎn)的UR系列協(xié)作機(jī)器人裝備了力矩傳感器，該型號的機(jī)器人如果遇到一個(gè)超過設(shè)定值的阻力（如50～150牛頓，阻力值可以調(diào)整）就會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，這確保了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)誤傷人類和其他設(shè)施。

    另外，協(xié)作機(jī)器人個(gè)頭比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)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(nèi)骨骼的設(shè)計(jì)方式，外面包裹了軟質(zhì)材料。這種設(shè)計(jì)除了不易對人產(chǎn)生傷害外，還使得協(xié)作機(jī)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，協(xié)作機(jī)器人應(yīng)朝著更易操作、更高智能、更高精度的方向發(fā)展。協(xié)作機(jī)器人需要比一般機(jī)器人擁有更多的感知、認(rèn)知和執(zhí)行能力來完成一些復(fù)雜的、需要靈活性的任務(wù)。此外，協(xié)作機(jī)器人還需要具備與人類進(jìn)行有效溝通的能力。這些都需要未來的協(xié)作機(jī)器人在人機(jī)交互、柔性機(jī)電一體化、云機(jī)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(jī)交互是操控機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于協(xié)作機(jī)器人直接和人打交道，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人之間的信息傳遞，及時(shí)準(zhǔn)確地理解對方的意圖就顯得非常重要。 目前，協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用了比較先進(jìn)的人機(jī)交互技術(shù)。

    有些協(xié)作機(jī)器人可以接受工人的示教。工人通過手工移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂進(jìn)行示范，而不需要改編程序，就能使協(xié)作機(jī)器人理解并做出相應(yīng)的動(dòng)作。未來，為了使協(xié)作機(jī)器人更容易操控，人機(jī)接口技術(shù)需要得到進(jìn)一步的發(fā)展，其主要發(fā)展方向包括視覺和語音交互 、力覺和觸覺交互等。

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

    這些柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)接觸外界環(huán)境時(shí)反作用力的大小調(diào)整自身的行為，也就是“知道輕重”，并根據(jù)任務(wù)不同而調(diào)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，協(xié)作機(jī)器人的大規(guī)模采用對柔性機(jī)電一體化技術(shù)提出了更高的要求。

    云機(jī)器人技術(shù)不但能進(jìn)一步降低機(jī)器人成本，而且可以有效提升機(jī)器人的聰明程度和自我學(xué)習(xí)能力。云機(jī)器人就是云計(jì)算與機(jī)器人的結(jié)合，協(xié)作機(jī)器人的云機(jī)器人化是未來發(fā)展的必然趨勢。就像其他云計(jì)算終端一樣，云機(jī)器人本身不需要存儲(chǔ)所有資料信息或具備超強(qiáng)的計(jì)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(jì)算的強(qiáng)大運(yùn)算和存儲(chǔ)能力，能夠給機(jī)器人提供一個(gè)更智能的“大腦”，增強(qiáng)單個(gè)機(jī)器人執(zhí)行相對復(fù)雜的任務(wù)的能力。同時(shí)，云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用也使得分布在世界各地、具有不同能力的機(jī)器人開展合作、共享信息資源，使完成更大、更復(fù)雜的任務(wù)成為可能。

    云計(jì)算技術(shù)還可以擴(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，加速和簡化機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)過程，未來云端軟件的模塊化和可擴(kuò)展性的增強(qiáng)也將使機(jī)器人的升級進(jìn)化更加迅速?？梢韵胍姡捎诓恍枰罅看鎯?chǔ)器件和超強(qiáng)的計(jì)算能力，單個(gè)云機(jī)器人的硬件成本將大大降低。而機(jī)器人成本的降低對未來工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人的推廣使用都具有極其深遠(yuǎn)的意義。

投資與技術(shù)研發(fā)的下一個(gè)“風(fēng)口”

    協(xié)作機(jī)器人從初級產(chǎn)品問世到現(xiàn)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(jī)器人真正吸引機(jī)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(jī)器人供應(yīng)商Gomtec公司。ABB公司明確表示，此次收購的目的就是加強(qiáng)ABB公司在協(xié)作機(jī)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(shè)備公司泰瑞德斥資2.85億美元收購了協(xié)作機(jī)器人行業(yè)的先驅(qū)——從2005年起就開始研發(fā)協(xié)作機(jī)器人的丹麥優(yōu)傲機(jī)器人公司。這一并購成為當(dāng)年協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域最大的并購案例。

    同樣，協(xié)作機(jī)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(yùn)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(tǒng)供應(yīng)商Swisslog公司共同發(fā)布了一款人機(jī)協(xié)作的訂單揀選系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，協(xié)作機(jī)器人和工人可以并肩工作處理訂單分揀任務(wù)，由機(jī)器人連續(xù)不斷地處理重復(fù)性的工作，而工人則可以從事其他復(fù)雜的業(yè)務(wù)，從而大大提高訂單處理的效率。

    2016年7月，美國福特汽車公司與庫卡公司共同打造的一款全新的協(xié)作機(jī)器人，在福特汽車公司位于德國科隆的工廠正式亮相。該款協(xié)作機(jī)器人主要的任務(wù)是安裝汽車減震器，這不僅能夠確保安裝位置的準(zhǔn)確性，而且可以大大提高安裝的效率。

    協(xié)作機(jī)器人在我國還是一個(gè)很新的機(jī)器人領(lǐng)域，目前市面上看到的國產(chǎn)協(xié)作機(jī)器人很少。除了沈陽新松機(jī)器人公司自主研發(fā)的七軸柔性協(xié)作機(jī)器人外，北京大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室核心團(tuán)隊(duì)成立的山思躍立科技有限公司發(fā)布了“WEE”雙臂協(xié)作機(jī)器人。隨著協(xié)作機(jī)器人市場增長趨勢愈加明顯，國內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)先企業(yè)將會(huì)更加積極地投入研發(fā)，國內(nèi)投資人的目光也將慢慢轉(zhuǎn)向協(xié)作機(jī)器人和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。協(xié)作機(jī)器人將成為機(jī)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(tǒng)工業(yè)機(jī)器人嗎？

    協(xié)作機(jī)器人是一個(gè)顛覆性的創(chuàng)新。其顛覆性不僅表現(xiàn)在協(xié)作機(jī)器人可以與工人并肩合作，改變?nèi)伺c機(jī)器的合作方式和人機(jī)世界隔離的狀態(tài)，而且還在于協(xié)作機(jī)器人未來能被數(shù)量龐大的中小企業(yè)用于部分替代工人的重復(fù)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(jī)器人的價(jià)格大約只有傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的一半，而且易操作、安全性高、可以移動(dòng)，具有很強(qiáng)的靈活性，經(jīng)過簡單調(diào)試就能適應(yīng)多種任務(wù)，所以協(xié)作機(jī)器人未來有望被廣大中小企業(yè)廣泛采用，且能跳出目前工業(yè)機(jī)器人局限于汽車和電子兩大工業(yè)應(yīng)用的格局，轉(zhuǎn)而滲透到中小企業(yè)扎堆的醫(yī)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，協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比也有一些劣勢。由于協(xié)作機(jī)器人質(zhì)量輕且可以移動(dòng)，所以重復(fù)定位精度比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人差一個(gè)數(shù)量級。因此，對于精度要求特別高的生產(chǎn)任務(wù)，協(xié)作機(jī)器人現(xiàn)在還不能符合要求。同時(shí)，由于怕傷到一起工作的人類，現(xiàn)階段協(xié)作機(jī)器人的動(dòng)作被有意設(shè)計(jì)得比較慢，因此在生產(chǎn)效率上也不如傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人。

    總之，協(xié)作機(jī)器人作為一項(xiàng)顛覆性的創(chuàng)新正在機(jī)器人領(lǐng)域快速生根發(fā)芽。協(xié)作機(jī)器人和相關(guān)的柔性機(jī)電一體化、人機(jī)交互、云機(jī)器人等技術(shù)將成為工業(yè)機(jī)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(jī)器人市場的快速增長也是大勢所趨，壹行研預(yù)測在未來10年內(nèi)全球協(xié)作機(jī)器人市場的收入增長將明顯快于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人市場，并在2025年達(dá)到100億美元的規(guī)模。不過，協(xié)作機(jī)器人并不能取代傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人。協(xié)作機(jī)器人仍將作為工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要的分支，在未來很長的時(shí)間內(nèi)將與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人共存，并共同發(fā)展。

    展望未來，人機(jī)協(xié)作并不局限于工業(yè)領(lǐng)域?yàn)橹悄苤圃旆?wù)。事實(shí)上，人機(jī)協(xié)作在軍事、安防、農(nóng)林、醫(yī)療等專業(yè)服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域也同樣是一個(gè)確定的發(fā)展趨勢?？梢灶A(yù)見，未來協(xié)作機(jī)器人必將走進(jìn)應(yīng)用更為廣闊的服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域。