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《从技术角度看工业机器人当前的优劣势》

  • 来源专题：数控机床——前沿技术
  • 编译者： 杨芳
  • 发布时间：2015-08-05

  • 从技术角度看工业机器人当前的优劣势

    随着人口红利逐步消失我国已成为全球最大的工业机器人市场。根据工信部消息，到2020年，我国将形成较为完整的工业机器人产业体系，高端市场占有率达到45%以上。领先中国工业机器人的使用主要集中在汽车工业和电子电气工业、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人等在生产中被大量采用。下面我们将从技术角度谈谈工业机器人当前的优劣势。   　　1.通用性工业机器人可编程，支持多自由度运动，因此应用较灵活。虽然不及人类，但相对于很多工业自动化常见的专机 (专为一类工业应用或一家客户定制的机电集成方案) 工业机器人还是灵活多了。工业应用改动不太大时，是可以通过机器人重新编程来满足新的需求而无需在硬件上再做大量投资。但相应的它的相对不足会是效率。毕竟专机是为一个应用定制的，因此虽牺牲通用性但实现了效率优化在产量这个客户非常关心的指标上能完成地很好。   　　2.机电性能...

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  • 《从技术角度看工业机器人当前的优劣势》
    • 来源专题：数控机床——前沿技术
    • 编译者：杨芳
    • 发布时间：2015-10-09
    • 随着人口红利逐步消失，我国已成为全球最大的工业机器人市场。根据工信部消息，到2020年，我国将形成较为完整的工业机器人产业体系，高端市场占有率达到45%以上。目前，中国工业机器人的使用主要集中在汽车工业和电子电气工业、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人等在生产中被大量采用。下面我们将从技术角度，谈谈工业机器人当前的优劣势。 1.通用性 工业机器人可编程，支持多自由度运动，因此应用较灵活。虽然不及人类，但相对于很多工业自动化常见的专机(专为一类工业应用或一家客户定制的机电集成方案)，工业机器人还是灵活多了。工业应用改动不太大时，是可以通过机器人重新编程来满足新的需求，而无需在硬件上再做大量投资。 　　 　　但相应的，它的相对不足会是效率。毕竟专机是为一个应用定制的，因此虽牺牲通用性但实现了效率优化，在产量这个客户非常关心的指标上能完成地很好。 2.机电性能 工业机器人普遍能达到低于0.1毫米的运动精度(指重复运动到点精度)，抓取重达一吨的物体，伸展也可达三四米。这样的性能虽不一定能轻易完成苹果手机上一些“疯狂”的加工要求，但对绝大部分的工业应用来说，是足以圆满完成任务。随着机器人的性能逐渐提升，以前一些不可能的任务也变得可行起来(如激光焊接或切割，曾需要专门的高精度设备来指导激光的走向，但随着机器人精度的提升，现在也变得可依赖机器人本身的准确运动来代替了)。 但相比传统高端设备，如高精度数控机床，激光校准设备，或特殊环境(高温或特低温)设备等，工业机器人尚力不能及。 3.人机合作 传统的工业机器人是关在笼子里工作的，因为它实在危险(想象一个抓着几十或几百公斤的家伙以四米每秒的速度甩着，谁也不想靠近吧)。主要原因是一般机器人，基于成本与技术的考虑，不会集成额外的传感器去感知外部的特殊情况(如突然有人触碰)，它只会“傻傻”得照着人类编好的程序日复一日的动着，除非有外部信号告诉它停止。所以常见的方案就是为机器人配备笼子，当笼子门打开时，机器人收到信号便自动暂停。对安全的考虑，自然给机器人集成带来了很多额外的成本，笼子可能并不贵，但毕竟要为此仔细考虑产线排布，增加产线面积，改变人机合作方式等，从而影响生产效率。 所以最近比较受关注的工业机器人都以能安全地和人一起工作“为荣”，如RethinkRobotics的Baxter，UniversalRobots的PR系列，以及很多传统工业机器人巨头(abb，kuka，Yaskawa等)的半概念半成品的机器人。而从产业需求看来，已通过传统工业机器人解决了对精度速度重量等自动化需求后，也的确是时候开始满足人机安全合作了。 4.易用性 传统机器人的工作本质就是不断地走一个个的路径点，同时接收或设置外围的I/O信号(老和其他设置如夹具，输送线等合作)。而指导机器人这么做得过程，就是机器人编程。几乎每一家领先公司都有自家的编程语言和环境，从而需要机器人操作者参加学习培训。当机器人适用范围增广后，这个成本开始显现了。 这些厂商是有理由维护自家的编程环境的，一来工业机器人四十年前就开始规模化做了，那时还没有什么面向对象等现在广为熟知普遍认同的主流先进编程理念，二来萌芽阶段自家技术难免会和竞争对手不同，维护一个编程方式也无可厚非，三来因为他们的大客户往往也是传统的工业大客户，如大汽车厂商，这些客户求稳，自然不希望你机器人过几年就赶个热潮变换编程方式，搞得他们还得扔掉几十年的经验，重新花大钱培训学习。 当然在业界，大家早已思考编程可否做的直观简单些，但在传统厂家中除了一次次地概念性的展示外(如利用外骨骼，3D图像，虚拟现实，iPhone等等)，一直没什么商业实用进展，以至于大家再听到“简易编程”等关键词都想吐了。 但庆幸地还是有后来者敢于挑战，也从零开始做出成就，并成为被认可的卖点。对，说的就是RethinkRobotics和UniversalRobots!这也鲜活地论证了创新者窘境里为什么颠覆性技术往往不会在领先企业中成功(尽管他们有足够的资源)，却总是被后来挑战者发扬光大。因为领先者在颠覆性技术上每走远一步，就往往离自己的铁饭碗远离一步，内外部阻力都很大! 不管怎么，机器人的易用性开始得到重视，如何能让人不经任何(或过多)培训，就能像玩iPhone一样很快玩转机器人，已经变成大厂商们开始大力投资的方向来。 5.成本 机器人的成本从小型号的几万RMB到大型的上百万RMB都有。这个成本自然低于高端专业制造设备，但也可能会高于国内小集成商们拼凑出的自动化方案来。但从一直来西方工业界及近几年国内制造业对机器人的欢迎程度看来，说明机器人自动化的经济优势普遍到了一个临界点，超过了其他替代方案(人工，或专机)，看来这个成本还是值得的。 其实要走传统机器人的老路，那硬件成本降低空间不大。工业机器人基本是一个开环的运动机构，靠的就是电机和齿轮箱的高精度配合。而大部分领先厂商的这些关键零部件都是从日本几家厂商那买的，(这也是国内公司自己制造的机器人，买同样的零部件，也不会便宜多少，因为日本厂商不会为了你这点量给多少折扣)。除非中国零部件制造商能静下心来，努力追赶上日本人的技术，从而以价格优势打破多年来的垄断，才能真正促进国内机器人厂商的发展。 另一个就是另辟蹊径，追求其他技术和市场。如RethinkRobotics当时甚至考虑用塑料的齿轮箱来降低成本，而通过视觉来弥补运动精度损失，就像人的眼睛来辅助手的精微操作一样。但毕竟不能一步登天，所以Baxter机器人暂时在精度和速度上完全无法与传统机器人相比，但在它能处理的物料抓放的应用中，却也足够了。也许随着Rethink的努力，会在硬件较差的情况下，通过软件的智能化弥补，来达到与传统工业机器人竞争的程度(那就是真颠覆这些传统大厂商了)。 6.智能性 之所以将智能型放在最后一点，因为相对现在市场对机器人的主流需求(即强，快，准)，它暂时还不是最迫切的。这也体现了传统工业机器人的优势(任劳任怨，保质保量，是个“干活”的好手)和不足(但很“笨”，老得让人教)。 但不代表智能型不重要，相反企业已经开始做技术投资了。比如怎么让机器人更好的理解人的指挥意图，相对自主的去理解并规划任务，而不需一个点一个点得让人告诉它怎么走;如何让机器人在外围环境发生变化下(光线变暗影响图像识别，传送带上物品有损坏需要特殊处理)自动适应;如何通过触觉视觉听觉等感知判断零部件的装配质量，等等。 这方面美国人做的比较好(当然他们也是避实击虚，因为传统工业机器人硬件上的技术和市场已基本被日本欧洲企业统治)，ROSIndustrial，RethinkRobotics等都在做有领先的尝试。 7.人才匮乏 工业机器人顺应时代发展，行业前景广阔，然而，该领域人才供需失衡的矛盾正日益凸显。一方面是机器人厂商、系统集成商以及汽车加工制造业求贤若渴，另一方面是人才供给不足，难以满足企业用人需求。 究其原因，主要是相对近年来国内机器人产业所表现出来的爆发性发展态势，高校、职校等培训机构的课程设置仍然滞后，尽管一些机器人厂商提供相关培训，却存在品牌针对性过强，推广力度不足、配套设施不足以及培训网点有限等短板，难以达成系统的教学流程，尚不能与全国各地求学者的需要很好地契合，导致众多有志投身机器人行业者求学无门。
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  • 《工业机器人将怎样改变我们的生产》
    • 来源专题：数控机床——前沿技术
    • 编译者：杨芳
    • 发布时间：2018-09-20
    • 随着机器人技术的不断发展成熟，制造业发生了巨大的变革，工业机器人逐步代替人力劳动，其应用从汽车工业扩展到电子、食品等其它领域，并彻底改变了传统工业的生产模式。去年，中国工业机器人的安装数量接近50万台，机器换人已经成为当今时代最大的趋势。 汽车工业是目前自动化程度最高的行业，工业机器人在汽车制造业中大量使用，进行冲压、激光焊接、铝点焊、热熔接、涂装等整个生产过程。由于汽车工业的快速发展，给工业机器人带来了巨大的市场空间。此外，电子工业也得到了迅猛的发展，工业机器人开始应用到物流和电子消费领域，并引发了这些行业的巨大变革。 工业机器人的发展趋势表现为从汽车工业延伸到电子工业、金属、化工、塑胶和食品等，逐步向消费领域渗透。上海发那科机器人有限公司总经理钱晖在2018年世界机器人大会上表示，机器人正在变得越来越智能，从最初的视觉机器人，到力觉传感器的引入，目前新一代机器人已经在认知和决策上面取得了极大的进步。 机器人感知能力不断提升 机器视觉在工业机器人的应用已经十分普遍，在钱晖看来，工业机器人视觉有三类：二维视觉、立体3D视觉，以及利用广域传感器技术的3D视觉，这些技术使得工业机器人识别出物体的位置、大小、颜色，包括在空间存放的位置，机器人获得了对周转的环境的感知能力。 有3D视觉，机器人功能得到进一步延伸，可以拾取杂乱堆放的工件，不再需要工人在流水线上整理工件，带有视觉的机器人能够快速地检测到现有的工件，然后识别出它的位置。除了视觉之外，机器人还需要感知周围的力，特别是装配和接触的过程中，要判断对物体施加多少力，这样的传感器是智能机器人的必要条件。 在机器人手腕上装六维力觉传感器，可以感知机器人运动过程的相关力度，机器人可以完成一些更高难度的工作。3D力觉传感器和六维力觉传感器对于机器人来说，是非常重要的传感元器件，目前发那科已经开发了大量不同系列的传感器，可以配置于不同场景的应用。 协作机器人大量走进生产线 协作机器人已经成为工业机器人的一个重要方向，在未来的制造业中，机器人将需要和人一起工作，从而更好的完成一些复杂的工作任务。不过，对协作机器人的要求比传统机器人要高。钱晖介绍，发那科的协作机器人具有三大安全功能：第一是触碰停止功能，机器人接触到人或者其它外界物体的时候感受到触碰力，机器人可以自动停止。第二是退让避让功能，就是把作业空间腾出来给人和其它设备来用。第三是触碰回退功能，机器下压的时候如果触碰到人手可以自动回退，保证手不会被挤伤，或者不会受到伤害。 如今，协作机器人正在大量走进生产线，和工人一起作战，为制造业提供更高的效率。相对于过去需要三个人，或者两个人加一台机器人的工作，现在只需要一个人加一台协作机器人就可以满足需求。协作机器人负责取放较重的工件，而人负责处理复杂或者精密的装配工作，完成工件装配后，协作机器人帮助将工件放回货架上，使得人可以腾出更多时间来做其它工作。 协作机器人弥补了传统工业机器人的不足，并逐步被导入到工厂制造环境中，其更多的应用场景正在探索当中，目前，发那科已经推出了多款协作机器人，和其它协作机器人不同，发那科协作机器人的负载最大可以达到35KG，可以进行较重的零件搬运、零件装配等工作，加上发那科为机器人配置了视觉和力觉传感器，使得机器人与人协作时更加安全。 大型工业机器人与未来的探索 在世界机器人大会上，发那科展示了一台巨型机器人，这台机器人可以举起一台完整装配的汽车，未来可以用于整车装配之后的运输。过去，汽车的搬运可能需要借助其它传动设备或者人为驾驶到展厅，以后机器人可以直接抓起汽车放到销售店的展厅上。 工业机器人将怎样改变我们的生产 发那科已经将超大型机器人纳入到发展计划当中，此次推出世界上最大的超载机器人负载可达2.3吨，可以在大型空间中搬运大型物体，如整台汽车。这是人力或者是过去其它机器人无法做到的。随着这种大型机器人的出现，其它应用场景也将进一步被探索出来，从而解决当前低负载工业机器人的不足问题。 作为全球工业机器人的领导者，发那科在自己的工厂当中大量使用机器人，进行二十四小时的无人化作业，发那科工厂的绝大部分工作都是由机器来完成，而工人更多是从事调整、维修、维护、保养，包括计划方面的工作。针对最新的工业物联网趋势，发那科提出了零停机时间（ZDT）的概念，即是通过机器和云端的连接，对于分散的机器人设备提供远程服务，包括故障预警、预防维护和远程优化等。同时，发那科正在利用工业互联网为全球用户提供远程智能化服务。 对于未来的机器人发展，发那科也做了大量的探索，例如利用人工智能的深度学习技术，结合3D视觉对工件进行准确的识别，以提高拾取的成功效率。人工智能技术或者机器学习技术赋予机器人全新的能力，随着越来越多先进技术的导入，机器人的能力会大幅提升，并将进一步改变我们的世界、改变我们的制造业。
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