高效的制造需要车间人员、设备和软件的协调系统。这些系统越来越多地包括机器人技术，因为制造商认识到机器人提供的可靠性、可重复性和灵活性。据国际机器人联合会预测，到 2019 年全球使用的工业机器人数量将增至 260 万左右，比 2015 年增加约 100 万。约 70% 的工业机器人用于汽车、电气/电子和金属行业
安全是任何制造操作中的首要考虑因素；传统上，安全使用工业机器人需要在车间人员之间保持设定距离l 和机器人，并在机器人周围设置防护装置和笼子，以防止工人受伤。越来越多的机器人、软件和实施策略旨在实现人与机器人之间更密切、更高效的交互。
控制这种关系的范围包括当工人进入潜在危险区域时由传感器控制的机器人运动中断领域，以应用完全“协作”机器人，也称为协作机器人，设计用于与人类工人并肩安全操作。不同的协作模式使制造商能够充分利用机器人系统和车间人员的全部能力。
来自 FANUC 的六轴 CR-35iA 协作机器人在汽车顶篷粘合中与技术人员近距离工作application.枯燥、危险&肮脏
美国目前技术工人的短缺推动了对协作机器人的大部分需求。经验丰富的车间员工退休，加上没有足够的年轻工人进入制造业劳动力队伍，导致店主人手短缺。
为了解决这一技能差距，制造商正在使用机器人进行重复和/或危险的操作，并移动工人从事需要更多思考和技能的工作。 “我们看到人们被重新分配，”全协作机器人制造商 Universal Robots USA Inc.（密歇根州安娜堡）西部地区的销售经理 Craig Tomita 说。
Tomita 说实施协作机器人的开发相对简单，因为它们在人类规模的范围内工作，不需要传统工业机器人所必需的防护措施。无需重新布置车间，空间利用率也不会改变。 “你只需将协作机器人放在人类操作员经常出现的地方认真地完成工作，”他说，并补充说虽然协作机器人是安全的，但风险评估——确定系统中的所有潜在危险并找到减轻危险的方法——至关重要。
易用性是关键全协作机器人的属性。虽然小型协作机器人的能力与小型传统机器人不相上下，但协作训练和编程要求极低。 “UR 系统的编程简便性改变了游戏规则，”Tomita 说。 “例如，当机器人需要集成到更大的制造系统中时，可以使用手持触摸屏对 Universal 的设备进行编程和运行。如果需要，更高级别的用户还可以使用类似 Python 的脚本语言对机器人进行编程。”
协作机器人可以很容易地被较小的商店使用，在这些商店中，集成成本一直是进入的障碍。 “如果你把它看成一座冰山，机器人的部分就是小便国王在水面上，”富田说。 “整合过程如下。你把那座冰山看成一个整体，它会变得非常昂贵。协作机器人的成本与标准工业机器人大致相同，但集成成本要低得多，”他说。
机器人的使用还有助于降低劳动力成本，Tomita 说：“使用协作的公司机器人通常可以引用他们以前无法胜任的工作，因为他们的劳动力成本超出了标准。”
潜在的应用是广泛开放的。 “我们的协作机器人的应用数量和种类还有待考虑，”富田说。 “人们习惯于认为机器人在那边的笼子后面，人在那边，两者永远不会见面。这种情况正在改变。”
Universal Robots 提供三种型号的六轴协作机器人，从 UR3 单元开始，可处理高达 3.3 千克（7.26 磅）的有效负载，并具有从 500 毫米（19.7 英寸）的工作半径到 10 公斤（22 磅）有效载荷和 1300 毫米（51.2 英寸）工作半径的 UR10 机器人。
典型的 Universal 机器人客户是 CleanLogix LLC（加利福尼亚州圣克拉丽塔），开发在清洁、冷却和其他应用中使用二氧化碳的产品。 CleanLogix 总裁 David Jackson 说：“我们可以将喷雾喷射到切割区，并提供一种非常清洁和绿色的方法来冷却过程中的切割工具。”他指出，单个机器人能够执行不同的任务；例如，将零件放入加工中心，然后更换末端执行器工具以提供冷却液。 “所以你有一个多任务机器人和一个完全绿色、精益的解决方案。我们对这些小型机器人感到非常兴奋。”
协作机器人与人类安全合作的能力使组织操作能够最大限度地发挥协同作用；例如，机器人可以组装一系列组件，而人类工人则执行插入需要灵巧性和认知感知的细线的化。机器人非常适合需要重复性、可靠性和准确性的操作，包括包装、码垛、装配和取放操作。
可重复性和准确性是独立的，但与机器人性能相关的衡量指标。可重复性衡量机器人一次又一次返回给定位置的能力。各种协作机器人声称的可重复性在大约 ±0.02 到 ±0.1 毫米（0.0008 到 0.004 英寸）或更低的范围内。
另一方面，精度衡量与所需位置或路径的接近程度机器人可以移动，可分为位置精度和路径精度。像钻孔这样的任务，机器人移动到一个位置并在钻孔时停止，需要位置精度。激光切割或喷漆等过程在机器人在点之间移动时发生的过程需要路径精度。
ABB 的 YuMi 协作机器人具有双臂，每个臂的伸展范围为 599 毫米（24 英寸），并占据人类尺度的区域，同时与车间人员一起安全操作。应用决定协作
一般来说，车间人员和机器人的并排活动是通过以低速处理小负载的协作机器人实现的——通常在 1 米/秒（39.4 ips）附近。然而，ABB 公司（北卡罗来纳州卡里）机器人与运动部装配和测试业务线经理 Nicolas De Keijser 表示，机器人承载的负载或行进的速度本身并不能保证安全、协作的操作.非常轻但危险的有效载荷可能是剃须刀片或皮下注射针。移动缓慢但沉重的有效载荷可能会对车间人员造成挤压危险。西米基本上，在以中等速度移动中型有效载荷时，夹具发生故障可能会使有效载荷在车间内乱扔。
机器人系统仅在其应用程序方面具有协作性。 De Keijser 说：“如果操作很危险，无论机器人有多协作，你都不想靠近机器人。”他补充说，任何应用都需要进行完整的解决方案安全评估。 “如果你阅读标准，它们总是规定我们谈论的是协作操作，而不是协作机器人。”
ABB 采用两种方法来确保工人和机器人安全共存。真正的协作应用，例如小零件装配，通常可以由该公司的台式双臂 YuMi 机器人完成。 38 公斤（84 磅）机器人的伸展范围为 599 毫米（24 英寸），每只手臂的有效载荷为 500 公斤（1.1 磅）。它占据了人类规模的区域，同时与车间人员一起安全操作。
另一方面，ABB 通过结合精心编程和安全监控软件的冗余系统促进大型标准工业机器人的安全操作。在对机器人进行安全操作范围编程后，ABB 的 SafeMove2 安全认证机器人监控软件通过监控机器人活动提供冗余安全保护，包括安全速度限制、静止监控和轴范围，以及位置和方向监控。根据 De Keijser 的说法，该软件集成到机器人控制器中，可以节省设置时间并提高生产率，同时降低总投资成本。
Yaskawa Motoman 的 Kinetiq Teach 系统是手动引导模式的一个示例ISO 标准 10218-1 和 10218-2 中描述的人机交互。
内置自适应控制
Yaskawa Motoman 的 Kinetiq Teach 系统是 ISO 标准 10218-1 和 10218-2 中描述的人机交互手动引导模式的示例。另一种形式机器人协作结合了工匠的技能和经验以及机器人在危险区域操作的能力。焊接通常不是用户友好的操作。据 Yaskawa America Inc. 热业务开发总监 Zane Michael 介绍，Motoman机器人事业部（俄亥俄州迈阿密），“在今天的市场上，协作这个词意味着你有一个重叠的机器人和操作员区域。他们正在密切合作。我还没有看到这种意义上的协作这个词被应用于焊接环境。”
虽然机器人焊接不能严格称为协作，但熟练焊工和机器人之间的一种协作形式支持一致的性能。这不是运行焊接机器人太难了。 “编程和运行机器人很容易，”迈克尔说。 “在 Motoman，我们有一个名为 Kinetiq Teach 的系统，您可以在其中抓住手电筒，将机器人移动到您希望它遵循的路径，记录该路径，然后您就可以开始了。”但是，他补充说，如果出现咬边或烧穿等偶发焊接缺陷，在不了解焊接知识的情况下运行焊接机器人是“一场艰苦的战斗”。
在这些情况下，有经验的焊工可以调整机器人的解决问题的行动。使用激光或其他传感器的自适应控制系统可用于基本的焊缝跟踪，但大多数焊接系统在出厂时没有配备此类系统。 “人类焊工具有我所说的内置自适应控制，”Michael 说。
根据操作复杂性和容量能力，机器人单元拥有不同形式的自动化和安全系统。 Motoman 的 ArcWorld single-station C30 单元适用于较小零件的小批量单件加工。当单元门打开以允许操作员将焊件装载到单元中的定位器上时，机器人处于紧急停止模式。操作员离开单元后，门下降并进行焊接。另一方面，Motoman 的大批量、大型零件 6000 系列机器配备了一个定位器，可以像摩天轮一样对零件夹具进行索引，并且可以从单元外部装载，同时多个机器人在单元内部焊接一个组件。
焊接公司面临着与其他制造部门类似的劳动力短缺问题。根据美国劳工局的统计数据，美国焊接协会估计到 2020 年美国焊工短缺 290,000 人。迈克尔说，具有前瞻性思维的焊接供应商正在与贸易学校和职业中心合作，为焊工开设课程。例如，Motoman 为高中和成人创建了焊接 STEM 计划和配套课程。焊接培训。
机器人，物联网
云计算和物联网促进协作在机器人、用户和机器人制造商之间。机器人供应商 FANUC America Corp.（密歇根州罗切斯特山）的材料连接部门总经理 Mark Scherler 表示，制造商通常会监控机器人的正常运行时间以记录生产率，“但不仅如此。我们正在使用互联网从机器人并帮助制造商提高正常运行时间。”
FANUC 提供协作式和标准工业机器人。为了充分利用机器人收集的数据，该公司开发了一款零停机时间 (ZDT) 诊断应用程序，用于检测和分析有关机器人机械操作和维护状态的关键信息。例如，在制造商设施中安装在机器人上的 ZDT 可以感知机器人正在经历不断增加的扭矩水平，这可能表明特定轴存在问题。通过云技术，ZDT 应用程序将操作信息发送到 FANUC 数据中心进行分析。关键问题触发通知传输到机器人用户指定的智能设备。
同时，发那科确认解决问题可能需要的零件的可用性。这些数据还可用于优化机器人系统，以改善循环时间、降低能耗和延长生产时间通过更好的维护改善机器人生活。
自动化灵活性
Jeff Estes，Morris Group（北卡罗来纳州夏洛特）Morris-South 分部的东部区域销售经理，曾任董事、合作伙伴Okuma America Corp. 的 THINC 表示，几十年来，大批量汽车行业一直引领着自动化的采用。如今，小批量制造商寻求自动化提供的可靠性和可预测性，但也希望能够灵活地实现从一个生产批次到另一个生产批次的快速转换。为此，机器人技术使车间能够快速更改编程细节和末端执行器。
Estes 指出，机器人自动化机床不仅仅涉及装卸零件。 “关键是如何实现低上座率或无人值守运行，”他说。在一个完全自动化的单元中，包括机床、机器人、量具、视觉系统和物料搬运设备在内的众多元素汇集在一起，以创建一个 &ldquo；闭环操作可以在没有人为干预的情况下继续运行并做出基本决策，”Estes 说。一个单元的多个元素生成有关各个操作的信息，但是，“在它们开始相互合作之前，这些只是信息片段。”集成商选择和安排单元元件并协调它们的功能。
一些机床供应商保持内部集成能力以提供交钥匙系统。 Methods Machine Tools Inc.（马萨诸塞州萨德伯里）在美国拥有 30 多名自动化工程师，以及设计、控制、电气/机械、系统集成和现场服务/安装人员。为了补充其作为机床供应商和系统集成商的活动，Methods 最近在其位于北卡罗来纳州夏洛特的设施中增加了一个自动化和集成中心。自动化专家和系统集成工程师为客户提供有关设备和功能范围的咨询g 从定义和构建单元格到执行决选。 Methods Automation 经理 John Lucier 表示，新的 10,000 平方英尺（929 平方米）设施的重点是“为我们的客户提供量身定制的综合解决方案”。
整体自动化
协作机器人等技术正在改变制造商对自动化的看法。 Estes 鼓励制造商利用自动化系统生成和收集的数据的力量。
数据分析可以促进生产的其他方面，包括产品质量、工具管理、物料流和物流。 Estes 说，在实施机器人技术时，制造商应该采取“更多的整体方法”。 “制造商应该问，‘我可以用这个机器人做更多的事情，让它与物联网或工业 4.0 相关吗？’” 机器人和自动化系统 ha他说：“即使是我们，作为 OEM 供应商，每天都在学习我们可以使它们变得更有能力。”
是什么让机器人具有协作性？
术语“协作机器人”经常用于描述控制机器人动作以适应人类工作者的任何情况。实际上，工人和机器人之间可能存在的关系因机器人和应用而异。
ISO 标准 10218-1 和 10218-2“工业机器人应用安全标准”于 2011 年发布。它们列出了工业机器人的安全设计、防护措施和应用要求。该标准定义了车间人员与机器人之间安全相关交互的四种不同模式。
一种模式是执行安全监控停止的能力。传感器监视机器人周围的预定区域，当人进入该区域时机器人运动停止。这种级别的安全监控当人为干预最少时，这是令人满意的，尽管频繁的中断会降低生产率。第二种模式涉及手动引导，在这种模式下，操作员通过抓住机器人手臂并将其移动到路径上的所需点，同时用示教器记录这些点，从而教导机器人遵循所需的路径。机器人中的力矩传感器可识别操作员的手动指导。传感器不作为安全系统，在教学模式之外，机器人必须有其他设备或系统以确保与人类的安全交互。
在速度和间隔监控模式下，a视觉系统检测机器人周围指定安全区域中的人。随着机器人与人之间的距离减小，机器人逐渐减速；在一定距离处，机器人运动停止。然后，当人离开安全区时，机器人会以正常速度恢复工作。这种分级的安全模式有助于保持生产力，即使是在工作中r 干预。
第四种协作模式使机器人和人类能够并排活动，并且无需防护人员和笼子。所描述的机器人称为功率和力限制机器人。当传感器检测到机器人受到异常的力时，例如与工人接触时产生的力，机器人会立即减速、停止或倒退。这些描述的机器人被称为功率和力限制机器人。当传感器检测到机器人受到异常的力时，例如通过接触工人操作的力，机器人会立即减速、停止或倒退。这些机器人通常比传统的工业机器人更小、功率更小，并且还具有圆形和封闭式关节以避免夹伤。
2016 年，ISO 发布了技术规范 ISO/TS 15066，其中增加了细节和澄清ISO 标准 10281-1 和 2。TS 15066 将协作机器人定义为在协作工作场所中与人类直接交互而设计的机器人ce 人和机器人可以同时执行任务。该规范详细说明了机器人可以对人类施加的力的大小，并且不会造成疼痛或伤害。力水平是通过对人体特定区域的冲击测试确定的。尽管如此，对正在执行的操作以及特定应用中涉及的零件和工具进行风险评估以确保绝对安全仍然至关重要。
