问题

协作机器人和传统工业机器人的区别在哪里?技术和应用上?协作机器人的应用场合主要是哪些?

回答
协作机器人和传统工业机器人,虽然都为自动化生产服务,但它们之间存在着本质的区别,这种区别不仅体现在技术层面,更深刻地影响着它们的应用场景和发展前景。

技术上的核心差异:安全性与灵活性

首先,我们来聊聊它们在技术上的根本不同。

安全性是协作机器人的“身份证”: 协作机器人最大的特点,也是它们最核心的技术突破,在于其内在的安全性设计。传统工业机器人通常被设计成“危险的”,需要被严格隔离在安全围栏内,防止人员接触。这是因为它们功率大、速度快、动作幅度大,一旦接触,后果不堪设想。而协作机器人则不然,它们被设计成可以与人类在同一工作空间内安全地协同工作。
力矩限制与碰撞检测: 协作机器人普遍内置了高精度的力矩传感器,能够实时感知到外部施加的力。一旦检测到碰撞,或者受到的力超过预设的安全阈值,机器人会立即停止运动,甚至后退。这就像机器人有一个“怕疼”的身体。
圆润的设计与低惯量: 它们的外部通常采用圆润、平滑的设计,避免尖锐的边角,以减少碰撞时的冲击力。同时,它们的关节和末端执行器设计也倾向于低惯量,即使速度较快,一旦停止,也不会产生巨大的动能。
速度与力气的“收敛”: 协作机器人通常在与人协同工作时,会主动降低速度和力量,确保即使发生接触,也不会对人体造成伤害。这种“收敛”是一种主动的安全保障。
安全编码器: 许多协作机器人还配备了安全编码器,能够监测和控制机器人的运动范围和速度,进一步提升安全性。

传统工业机器人的“力量与精度”: 相比之下,传统工业机器人更注重的是力量、速度和重复精度。它们就像是工业领域里的“大力士”和“精密仪器”。
强大的负载能力: 它们可以轻松举起数百公斤甚至上吨的重物,完成汽车车身焊接、搬运重型零部件等任务。
极高的运行速度: 可以在极短的时间内完成复杂的动作,大幅提升生产效率。
超高的重复定位精度: 确保每一次的动作都能精确到微米级别,这对产品质量至关重要。
坚固的结构设计: 为了承受高负载和高速度,它们的结构设计通常更加庞大、坚固,材料也更加厚重。

编程与部署的灵活性:
协作机器人: 往往更易于编程和部署。它们提供了直观的用户界面,甚至可以通过“示教编程”( rękoczynowe uczenie)——直接用手引导机器人完成动作,然后记录下来——来快速学习和设置工作流程。这种灵活性使得它们能够快速适应不同的生产任务,尤其适合小批量、多品种的生产模式。
传统工业机器人: 编程通常需要专业的机器人语言和编程人员,部署也相对复杂,需要精确的调试和安全防护措施。虽然其精度和性能经过多年发展已经非常成熟,但其灵活性相对较弱,一旦设定好程序,更改起来也需要更多的时间和精力。

应用场景的“边界”在哪里?

技术上的差异直接决定了它们的应用领域。

协作机器人的“舞台”: 协作机器人之所以叫做“协作”机器人,就是因为它们的设计初衷是为了与人“并肩作战”。因此,它们的应用场合主要集中在那些需要人机协同、对柔性化和人性化有较高要求的场景。
装配与拧螺丝: 在电子产品、汽车零部件的装配线上,协作机器人可以承担重复性高、对力量要求不大的拧螺丝、零件抓取、放置等工作,而工人则可以专注于更精细的组装、质检或判断工作。
物料搬运与上下料: 在机床、注塑机等设备旁边,协作机器人可以高效地将原材料放置到设备中,并将加工完成的工件取出,实现无人化上下料,同时也能确保操作人员在附近进行监控或调整。
包装与码垛: 在产品包装线上,协作机器人可以精准抓取产品,按照预设的模式进行摆放或码垛,减轻工人的劳动强度。
检验与检测: 协作机器人可以携带视觉传感器或测量工具,对产品进行高精度的尺寸测量、表面缺陷检测等,并将数据反馈给工人进行分析。
人机交互与辅助: 在一些需要人机协作完成的任务中,比如医疗设备的操作辅助、实验室的样品处理等,协作机器人可以充当“得力助手”,完成一些预备性或重复性的工作。
小批量、多品种生产: 协作机器人的快速编程和部署能力,使其非常适合那些需要频繁更换产品、小批量生产的企业,能够快速响应市场变化。
环境相对友好: 协作机器人通常在相对清洁、温和的工作环境中工作,不需要承受极端的温度、湿度或污染。

传统工业机器人的“领地”: 传统工业机器人则占据着那些对生产效率、自动化程度要求极高、且能够实现完全隔离的重工业领域。
汽车制造: 焊接、喷涂、搬运车身、总装线上的重型零部件,这是传统工业机器人最经典的应用场景,它们以极高的效率和精度完成了大规模的汽车生产。
重型机械制造: 大型金属件的搬运、焊接、打磨,以及复杂的装配任务。
家电制造: 高速的零件抓取、放置、插件等,以提升生产效率。
危险或恶劣环境: 在冶炼、化工、核工业等领域,传统工业机器人可以代替人类进入危险环境执行任务,例如高危物品搬运、有毒气体环境下的操作等。
大规模、标准化生产: 对于那些产量巨大、产品种类相对单一的生产线,传统工业机器人能够提供最稳定、最高效的自动化解决方案。

总结一下:

用一个形象的比喻来说,传统工业机器人更像是身穿重型铠甲、力量无穷但行动受限的“战士”,它们在固定的战线上执行任务,追求极致的效率和精准。而协作机器人则更像是穿着轻便防护服、身手敏捷的“伙伴”,它们能够灵活地穿梭于生产线,与人类并肩工作,共同完成任务,强调的是安全性、灵活性和人机交互。

随着技术的不断进步,两类机器人的界限也在逐渐模糊。一些传统的工业机器人也在不断加强安全性能,而协作机器人也在提升其负载能力和运行速度。但它们各自的核心优势和应用定位,在可见的未来仍然会是区分它们的重要标志。协作机器人的兴起,更是为制造业带来了全新的自动化思路,让自动化不再是遥不可及的“大杀器”,而是可以走进更广泛、更细致生产环节的“得力助手”。

网友意见

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先上结论:

  1. 未来理想中的高度自动化确实不需要人;
  2. 短期内人类还无法达到上述的“高度自动化”;
  3. 协作机器人是一个过渡概念,通过结合人的灵活性和机器人的高速高精度来提高生产效率;
  4. 最终所有的机器人都将具有人机协作的特性;

什么是协作机器人?

简单来说,协作机器人是一种从设计之初就考虑降低伤害风险,可以安全的与人类进行直接交互(Direct Interaction)/接触(Physical Contact)的机器人。

传统工业机器人在工作时,受限于技术和历史原因,为了保证安全需要采取某些措施把人类排除在工作区域之外,例如汽车厂的焊接,喷漆等工序完全不需要人的参与,因此用安全围栏/光栅围住即可。

但是这样的话,在很多需要人类介入的工作中就无法采用机器人来实现较高程度的自动化。

协作机器人的目的是为了把机器人(精确)的重复性能和人类独特的技巧与能力结合起来,人类擅长解决不精确/模糊的问题,而机器人则在精度、力量和耐久性上占优。(大概翻译一下,原文:The objective of collaborative robots is to combine the repetitive performance of robots with the individual skills and ability of people. People have an excellent capability for solving imprecise exercises;robots exhibit precision, power and endurance)

协作机器人用来降低风险,提高安全性的措施从本质上可以分为被动和主动两种。被动安全设计主要由机器人系统的机械设计来实现,主动安全由控制系统的设计来实现,详细的介绍可参考《ISO-TS 15066-2016 Robot and Robotic Devices - Collaborative Robots》。

协作机器人与传统机器人之间并没有非常大的不同,只是基于不同的设计理念生产的工业机器人产品,在协作机器人发展初期,很多都是从传统机器人的基础上改造的。

比如说FANUC的CR-35iA,在传统机器人M-20iA的基础上,外面包裹一个保护层发展而来,是目前世界上负载能力最大(35kg)的协作机器人:

再比如下面这个KUKA在2005年推出的萌萌的Safe Robot,在KR3的外面包裹了厚厚的一层垫子,以减少碰撞时的冲击:

随着技术的发展和相关规范的完善,协作机器人慢慢转向了区别于传统机器人的外形设计(主要目的是增大负载自重比,降低夹伤手指/身体的风险,降低碰撞伤害的风险等):

协作机器人的主动安全设计,即控制系统的安全完整性,是整个系统中及其重要的因素(Major Importance)。安全性可以定量的由机器人控制系统的安全级别来确定,以SIL(Safety Integrity Level)为例:

主流的机器人控制系统都可以达到SIL2以上的级别,部分可以达到SIL3。SIL2代表的含义是,对于经常执行的安全操作来讲(频率高于2次/小时),其在1个小时内发生危险失效的概率要小于10-e6。

什么概念呢?比如说机器人里,大家熟悉的急停按钮就是安全相关(Safety-related)的部件,假设你没事干1个小时拍2次,至少要连续拍56年才会出现一次拍了急停机器人没有停止的情况。

但值得一提的是,目前业内存在很多误区,最大的一个就是,只指讲协作机器人(Collaborative Robots),很少讲协作机器人系统(Collaborative Robot System),机器人系统包括机器人,末端执行器,周围配套的外部轴、机械设备等。

正常工作中与人交互的,是包含机器人在内的一整个系统,协作机器人只是整个系统的一个组件,其他部分如果不考虑安全设计,那就不能称之为人机协作。

比如说当协作机器人末端按安装了一把刀时,我们就不能说这个系统适合人机协作。

协作机器人的市场

协作机器人出现的原因主要有两个:

  1. 市场需求增加,3C行业崛起,中小企业(SMEs)对自动化的需求增长;
  2. 当前的机器人技术在智能性和灵活性上还很欠缺,很多工作需要人工的介入;

占用空间小并不是选用协作机器人的原因之一,小只是协作机器人为了达到安全性导致的结果,目前中大型机器人还无法实现常规意义上的协作(当然所谓的人机协作实际上是分为4种模式的,中大型机器人理论上可以实现其中的三种,只不过和大多数人所认知的类似于UR,Swayer这样的协作不太一样)。

协作机器人适合的场景是要求人员介入的场景,大部分涉及到装配/组装。

例如电子产品装配,机器人来放置零件,操作人员负责组装:

或者汽车发动机装配:

或者医疗领域,进行手术辅助:

协作机器人的本质是安全性,是机器人技术发展的必经之路,也是终极目标之一。


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