在眾多媒體中，Pentagon和Google加大了例如對無人機(jī)和車輛設(shè)置這樣自主系統(tǒng)的關(guān)注，工業(yè)特別是生產(chǎn)制造業(yè)正在尋求集成化合作式的技術(shù)解決方案。一方面人們在致力于使用設(shè)備替代人的工作，另一方面致力于讓系統(tǒng)、人與機(jī)器人能夠相互合作。因為在過去的一段時間內(nèi)，機(jī)器人與人的合作更為密切。許多行業(yè)看到了人機(jī)協(xié)作的優(yōu)勢，而有些行業(yè)卻認(rèn)為這樣的應(yīng)用沒有意義，但是在實際應(yīng)用中還是對人機(jī)協(xié)作的探討予以大力支持。Universal Robots公司的CTO Esben H.?stergaard表示：“人機(jī)協(xié)作正在改變生產(chǎn)制造，在此期間，機(jī)器人在人們印象中噪聲大或危險性大的形象正在轉(zhuǎn)變。”
圖1 到2015年，世界范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的銷售量有很大增長（單位：1000臺）
在Automatica 2014展會上，在這個領(lǐng)域有這樣一個明確的基本觀點，即今后機(jī)器人和人會有更進(jìn)一步的合作。同時，在2015年的漢諾威工業(yè)博覽會上，最新一代的機(jī)器人已經(jīng)成為了關(guān)注焦點，同時，讓更多對此感興趣的專業(yè)界人士與最新一代機(jī)器人近距離接觸的條件也已經(jīng)形成（圖1）。技術(shù)領(lǐng)先的機(jī)器人生產(chǎn)廠商展示了機(jī)器人技術(shù)如何能夠成為生產(chǎn)中更具競爭力和靈活性的關(guān)鍵。在此，人機(jī)協(xié)作也受到了人們進(jìn)一步的關(guān)注，機(jī)器人也將會更加靠近它們的同事。對于這一點，F(xiàn)esto公司負(fù)責(zé)機(jī)電一體化系統(tǒng)研究的Alexander Hildebrandt博士表示：“未來技術(shù)必須能夠適應(yīng)改變著的框架及人們的介入。”
更具安全性的合作關(guān)系
如St?ubli公司在介紹TX2機(jī)器人裝有的CS9控制器時所講的那樣，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)與人更多地合作，且其中機(jī)器人應(yīng)具備“開創(chuàng)性的安全功能”。多數(shù)這樣的安全功能，如安全加速和安全停止功能組成了人與機(jī)器人在沒有防護(hù)圍欄的前提下安全可靠合作的基礎(chǔ)。由于集成有傳感器，所以機(jī)器人能夠識別出要靠近操作人員并自動減速，在接下來的生產(chǎn)作業(yè)中也不會有大幅度的動作。一旦機(jī)器人的活動范圍內(nèi)沒有操作人員時，機(jī)器人便可以在其編程的“舒適感應(yīng)區(qū)內(nèi)”以之前的高速運行作業(yè)，并繼續(xù)正常工作。TX2-6軸機(jī)器人結(jié)構(gòu)系列裝有獲得T?V認(rèn)證的能夠滿足SIL3-Ple要求的CS9控制器。
圖2 使用了UR公司38臺UR5型和UR10型機(jī)器人的Trelleborg Sealing Solutions公司能夠加大其用戶的訂單量，為了配合機(jī)器人完成生產(chǎn)，公司還多聘用了50名工作人員
這在今天是安全和自動化融合的一個絕對重要的標(biāo)準(zhǔn)，第三代UR機(jī)器人中操作人用友好且輕型的UR5和輕型的UR10機(jī)器人也已考慮到這一點（圖2）。同樣，機(jī)器人手臂的靈活應(yīng)用也必須符合標(biāo)準(zhǔn)并得到T?V認(rèn)證：無需防護(hù)圍欄，易操作且可快速編程。機(jī)器人臂要設(shè)置新的功能，其中有8個可校準(zhǔn)的安全功能。6軸彎曲臂機(jī)器人證實了這些功能，該型機(jī)器人為輕型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，承載能力為5～10kg。？stergaard證實了該型機(jī)器人市場需求量大：“輕型機(jī)器人可作為汽車工業(yè)的噴漆機(jī)器人或為工具生產(chǎn)廠商提供很大的輔助性，該型機(jī)器人最主要的功能還是適合用于中小型生產(chǎn)制造企業(yè)。”
靈感來自生物學(xué)
當(dāng)人們談到輕型機(jī)器人技術(shù)和人機(jī)協(xié)作時，會很自然地談到位于Augsburger的機(jī)器人生產(chǎn)廠商kuka公司。該公司研發(fā)的LBR iiwa型機(jī)器人可完成各種工作：其能夠從通過使用安裝在塑料框里的玻璃板顯示器來清理大型廚房的臺面，可在汽車車身里自動地安裝栓塞，也就是該型機(jī)器人總是出現(xiàn)在那些單調(diào)且強(qiáng)度大的工作任務(wù)的現(xiàn)場。
圖3 工業(yè)使用的人機(jī)協(xié)作的一個靈活的柔性機(jī)器人技術(shù)輔助系統(tǒng)版本
機(jī)器人在那些可靈活應(yīng)用且便于實施的行業(yè)中證明了一個新的發(fā)展趨勢，也就是人們在研發(fā)機(jī)器人時從生物學(xué)中獲取的靈感，為機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用注入了新的活力，這樣機(jī)器人便從原來的硬冷且僵化的機(jī)器變成了柔軟且順從的助手，這可稱之為“柔性機(jī)器人”。德國Fraunhofer–IPA的機(jī)器人輔助系統(tǒng)部門主任Martin H?gele表示，迄今為止，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的機(jī)械部件正在向優(yōu)化剛性和精密性方向發(fā)展，隨著人機(jī)協(xié)作的普及，人和機(jī)器分擔(dān)完成工作任務(wù)，會越來越多的出現(xiàn)新型機(jī)器人手臂：結(jié)構(gòu)緊湊、順從、敏感且有機(jī)的機(jī)體化機(jī)器人手臂具備被稱之為“柔性機(jī)器人”的這些典型特征的機(jī)器人手臂的增加會被看作是一個可能的開端。這預(yù)示著生產(chǎn)車間內(nèi)的下一個新的發(fā)展方向（圖3）。美國和瑞士的若干項目正將該項技術(shù)向前推進(jìn)，在此方面德國現(xiàn)在也正在積極開展工作。一家企業(yè)長時間以來一直從事這項工作，這應(yīng)當(dāng)算做榜樣嗎？至少有一點是清晰的，即Festo正在研發(fā)順從的機(jī)器人手臂，生物型調(diào)節(jié)抓手機(jī)器人手臂。Hindebrandt表示：“使用生物型調(diào)節(jié)輔助裝置已經(jīng)出現(xiàn)了突破性進(jìn)展，也就是實現(xiàn)了從一個處理技術(shù)到人機(jī)協(xié)作的再創(chuàng)新。”
氣動結(jié)構(gòu)極其輕巧且順從，直接接觸沒有危險性。當(dāng)發(fā)生狀況時，輔助系統(tǒng)立即退讓，不需要像使用傳統(tǒng)的機(jī)器人那樣對工作人員進(jìn)行周密的保護(hù)。與重型工業(yè)機(jī)器人相反，生物型的調(diào)節(jié)助理系統(tǒng)是一個唯一的體量，有效負(fù)荷比高、運動過程柔軟靈活且自由度高、節(jié)省能源的輔助系統(tǒng)。
Hindebrandt繼續(xù)說道：“用新的生產(chǎn)制造方式制造出選擇性激光燒結(jié)裝置（SLS），也就是一種靈活、順從且結(jié)構(gòu)輕的控制處理裝置是個特殊的挑戰(zhàn)。接受‘抓起工件’、‘打開抓手’、‘退到起始位置’所有這些命令，而得到德國未來獎表彰的輕型輔助系統(tǒng)，使用的是集成化的圖像和語音識別裝置。”當(dāng)前工程技術(shù)人員正在研發(fā)工作范疇內(nèi)正在致力于輕型付賬系統(tǒng)的外形尺寸的最佳化和控制調(diào)整規(guī)則系統(tǒng)的研發(fā)。
Hindebrandt在介紹他們目前在輔助系統(tǒng)方面的研發(fā)工作時表示，當(dāng)關(guān)系到材料應(yīng)用的穩(wěn)定性時，公司也在開展增材制造技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)工作。Festo的研發(fā)人員正在聯(lián)合項目INSERO3D在框架內(nèi)進(jìn)行一個微縮3D相機(jī)的研究。將來生物型調(diào)節(jié)助理系統(tǒng)應(yīng)能夠借助于該微縮3D相機(jī)在一個空間內(nèi)辨認(rèn)情況，以便能夠避讓障礙（圖4）。據(jù)稱，已經(jīng)研發(fā)出的第一臺微縮3D相機(jī)樣機(jī)已在新型人機(jī)協(xié)作應(yīng)用中使用。
柔性機(jī)器人是智能化機(jī)器人技術(shù)
遵循線性運動的機(jī)器人直接轉(zhuǎn)變?yōu)殪`活的作業(yè)人員的同事是一個范例性的改變。在此，順從的機(jī)器人應(yīng)能夠適用于各種綜合性的任務(wù)，而不只是順從，因為這樣的機(jī)器人由靈活的材料和具有彈性的部件組成。目前，德國的若干大學(xué)、研究院所和企業(yè)已經(jīng)在使用這樣的帶有生物優(yōu)點的機(jī)器人。例如，德國的KIT已經(jīng)在進(jìn)行如柔性機(jī)器人的人造皮膚研究、節(jié)拍式接近傳感器的應(yīng)用及便攜式機(jī)器人系統(tǒng)的研究課題的研究工作。
圖4 生物型調(diào)節(jié)助理系統(tǒng)應(yīng)能夠借助于微縮3D相機(jī)在一個空間內(nèi)辨認(rèn)情況，以便能夠避讓障礙
柔性機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)涵蓋實現(xiàn)直觀性、安全可靠性和靈敏性微目標(biāo)聯(lián)合性能的眾多科學(xué)定律的結(jié)合。在此，電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)相互融合。德國Fraunhofer-IPA的Martin Hügele說：“還有精巧的折疊和層壓技術(shù)將引入機(jī)器人的新結(jié)構(gòu)。柔性機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)在可能的情況下也可以采取另外一種類型的生產(chǎn)方式：取代傳統(tǒng)式的安裝，強(qiáng)化連續(xù)性生產(chǎn)方式，例如產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)能夠以增材制造的方法進(jìn)行制造，從而融合在一起。”這種相互融合的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)是Festo生物型控制調(diào)節(jié)助理系統(tǒng)的特征。
柔性機(jī)器人技術(shù)的未來景象目前還是未知的，因為相關(guān)的新規(guī)則還處于初始階段。但是，因為具有直觀性特點的柔性機(jī)器人比那些“執(zhí)拗型”設(shè)備更快地得到了人類同事的認(rèn)可。？stergaard在談到UR的機(jī)器人時表示：“在生產(chǎn)制造中集成柔性機(jī)器人技術(shù)宣告了人機(jī)協(xié)作登上了一個新的臺階。這給人機(jī)協(xié)作賦予了更大的靈活性。”
在不遠(yuǎn)的將來，人們不僅可使用柔性機(jī)器人技術(shù)，而且可對人機(jī)協(xié)作有很多新期待，這證明傳感器技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)和控制系統(tǒng)在不斷的向前發(fā)展。Hindebrandt在展望未來時表示：“未來生產(chǎn)的特點是使用安全可靠的機(jī)器人，并實現(xiàn)無危險性的人機(jī)交互。通過固有的特性或至少是借助于傳感器技術(shù)（節(jié)拍式傳感器/電容傳感器）能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人可實現(xiàn)人機(jī)交互的安全可靠性。這樣，人們通常會認(rèn)可選擇能夠與人合作的機(jī)器人所要花費的成本，并控制其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。”
