协作机器人的江湖,机器人如何竞争？

远离硅谷及亚洲电子产业中心的地方，一个拥有许多灵魂的小创业公司正在掀起波澜。在伊利湖东端，一个由丹麦移民创办的公司正在布法罗市中心的所有地方建造移动计算机。

在美国平板制造厂商Bak的厂房里，5名技术人工坐在半月形的工作站里从头开始组装笔记本电脑和平板。仅一臂之遥的地方，一个拿着螺丝刀的机器人正在协作装配。这是一个成立三年的初创公司，拥有100名员工和一台机器人。有什么可能性？随着人机协作的发展，他们在增长，中小企业也注意到了这一点。

我们马上就意识到这家公司不一般。Bak家族有一个愿景，为地球上的每个人提供移动技术，可谓相当雄心勃勃。但是这家初创企业一次规划一个社区的路径，并以千年品牌的社会责任引导。他们还有一些重量级的合作伙伴，包括微软、Intel以及Esri。

致力于高质量和可承受的价格，Bak USA为K-12教室开发了2合1笔记本电脑，并相信每个学生都有权获得高科技学习机会。他们还为普通工人制造了坚固的平板电脑，无论他们在工厂、建筑工地，还是我们这些身为蓝领的男男女女。

一直以来，Bak USA坚信照顾他们的“工人阶级”。以人为本的商业模式意味着他们始终把员工放在第一位。

一家非传统的公司如何做到这一点呢？他们的选择是机器人。不仅是他们的第一台机器人，而且是他们在生产车间的第一个严谨的自动化程序，不仅仅是机器人。那是一个脱离传统工业机器人的安全“牢笼”的新型机器人，这种颠覆性技术将实现成倍增长。

协作机器人运动

这是Bak USA的新领域。他们一直把人放在第一位。现在他们正在推出一款机器人。事实证明，他们可以帮助播种。

EWI运营的布法罗制造厂是由纽约州倡导建立的一家工程咨询机构。Bak USA利用他们帮助初创公司评估他们的开箱即用解决方案的生产流程。

他们是否在箱子外面？

Bak USA高级制造总监Matt Malloy表示，“没有任何事情是不能解决的。我们研究了从能拧螺丝的AMR（autonomous mobileRobot，自主移动机器人），到穿过建筑物的飞行无人机。”

这是布法罗制造厂要引入协作机器人的想法。

Malloy说，“我们研究了我们整个业务的方方面面，看看哪里能产生最大的影响？我们有一支很好的领导团队，非常喜欢说我们在这个行业是新的，我们想产生影响，我们想在这里工作的每个人都做得好，我们想让大家的工作令人兴奋、有趣和舒适，所以我们愿意去探索。这是一家公司的好处，它在技术和社交方面都非常强大。”

Bak USA的社会使命是他们所做的一切背后。他们希望减轻技术人员的人机工程学挑战，同时提高生产效率，使他们能够继续为年轻人和员工制造高质量，价格合理的电子产品。

Malloy解释道，“你可以想象一下，整天的工作都是跟电子产品上的微小螺丝打交道，试图用手指拿着它们放在螺丝刀的顶端，并放到合适的位置上，拧紧。这是整个流程中非常困难的一部分。”

Kawasaki duAro双臂SCARA机器人可以轻松完成这道工序，经过几个月的测试后，该系统现已全面投入生产。

生产过程还包括围绕机器人而坐的技术人员。每个技术人员在自己的工作站内从头到尾构建一个计算机设备。当设备准备好螺钉时，技术人员启动一个快速过程，将设备穿梭至机器人。机器人将螺钉插入并将其拧紧，然后将设备送回技术人员手上，以便在需要时进行额外组装。

由于可能有五名技术人员在任何给定的时间向机器人提供设备，如果机器人忙于在一个设备中安装螺钉，另一个设备就在提示中等待轮到它。同时，技术人员可以建造下一个设备。

双臂机器人的每个手臂都配备了摄像机以及力矩反馈电动螺丝刀。机器视觉用于确认螺钉在组件中的位置，并确定哪种尺寸的螺丝适合哪种设备。螺旋给料机向机器人传递螺丝。

执行相同的操作，机器人肯定比人类快，但Moalloy说这不是考虑的关键因素，他表示，“更重要的是，机器人替代了设备组装过程中工作不想做的步骤。”

Bak USA研究了多个协作机器人系统之后，最终选择了duAro机器人，主要在于它的精确性，小型化和内在安全性。

Malloy认为，“duAro是一个很好的选择，这个双臂机器人真的非常好。可以一次处理两台设备，或以各种方式运行。控制系统、传感器和系统反馈非常好。并且，机械臂上都有柔软的物质包裹，即使你碰上它，也只是像撞到一个靠垫上而已。”

以人为本，安全第一

KawasakiRobotics（USA）公司的产品和先进工程总监Samir Patel表示，duAro机器人符合ISO 10218和ANSI/RIA 15.06协作机器人安全标准。

Patel解释说，“为了达到最高级别的安全性，Kawasaki有一个名为Cubic-S的硬件和软件包，用于监控每个手臂的工作空间和速度。”

根据Patel说，低功率电机的功率不到80瓦，加上柔软的机身和速度，力量以及工作区域监控功能，使得duAro能够与人类进行安全协作。碰撞检测功能可在发生碰撞的瞬间立即停止机器人的运动。

Bak USA最初担心安全问题，主要是因为该技术的新颖性。他们与外部公司合作帮助评估安全性并为其员工提供培训课程。Malloy表示，他们可能在安全方面过于注重。

“现在，为了保证安全，我们在每个工作站前都安装了光幕。我们还在每个工具背后都配备有安全垫，所以即使它是一个协作机器人，人们也无法接近它。 我们有安全控制的双重接触点，所以没有人可以用他们的双手来装载或卸载设备。”

如果有人或物体穿过光幕或触发安全垫，机器人立即停止。

Malloy说，“布法罗制造厂已经能够以这样一种方式为我们开发系统，以便快速重置。根据我的经验，无论何时触发互锁或类似事情，将其恢复到运行状态始终是一个复杂的过程。在这里，他们已经考虑过安全和易于使用，并且易于排除故障。”

易于使用是我们听到关于协作机器人的一个共同话题。对于很多人来说，“示教”已经取代了编程。

易于示教

Kawasaki为duAro提供了三种编程选择。其中示教功能，只需要抓住机器人的一只手臂并将其移动到所需的位置，然后在编程平板电脑上记录该位置。重复这些步骤设置每个点从而形成一个完整的路径。

第二种方法是使用Android平板电脑，该平板电脑无线连接到duAro机器人控制器，以控制机器人的关节、基座或工具坐标点动。第三种方法是为高级用户编写复杂的应用程序。可以将笔记本电脑连接到duAro控制器，使用Kawasaki先进的基于文本的AS语言对机器人进行编程。

体验了第一种方法的便捷之后，Malloy说他很难想象通过示教器来示教机器人，而这是大多数传统工业机器人的编程方法。

duAro的另一个优势是可以让两只手臂独立完成不同的任务，或者协调一起完成一项任务。Kawasaki的Patel提供了电子制造业的一些常见案例。

“在许多电子组装应用中，为了在装配前进行精确定位，必须固定母件。使用duAro，一只手臂可以将母体部件固定在特定位置，而另一只手臂可以完成组装，例如螺丝固定或胶合。“

手臂还可以协调承载更大的负载，例如印刷电路板。通过机器人的同轴设计，两个臂共用一个共同的轴，即关节1，因此它们可以完全从机器人的前部旋转到后部。每只手臂可以处理2公斤的有效载荷。通过协调，他们可以承载4公斤。Bak USA根据其生产要求独立或根据需要以协调的方式使用双臂功能。

人机协作

Bak USA成功采用协作机器人是由于他们的员工早期就参与进去了。甚至在启动这个项目之前，他们就让技术人员参与其中。

Malloy说，“我们与布法罗制造厂密切合作，我们让他们与我们的技术人员一起工作，了解我们的流程，以及哪些是有效的，我们确实提出了一些典型的问题，比如为什么要添加一个机器人，这对我的工作意味着什么？但是我们让整个过程中的每个人都处于流程中。”

“我们曾多次让他们参与其中，即使它让人们用协作机器人拍照一样简单。当它到达这里时，大家很兴奋。第一天他们在使用它时，还会问，下一次是什么时候来的？当我们第一次看到这个东西在运行时，你甚至都无法想象工人们脸上的笑容，而那五个人都很兴奋，他们就是这样做的。”

揭幕式确实成了全公司的庆典。

项目非常成功，以致Bak USA又订购了两台duAro机器人。

Malloy说：“第一天使用就超出了我们的预期。很快就打破了内部记录。我们现在正在调试我们的第二个和第三个系统。”

在过去的12个月里，Bak USA的规模几乎翻了一番，增加了48个新的就业机会。这两个额外的机器人将增加使用该系统的技术人员的数量。

“我们有更多的人在生产车间。现在我们有足够的人员来运行这三个系统，并且我们仍在招聘。”

协作自动化的未来

至于未来，Bak USA计划花一些时间改进现有系统。Malloy说，他们已经从这个过程中学到了很多东西，特别是可以增加系统或改变它以使其变得更好。

“刚开始时，我们都是纯手工打造，那时候没有协作自动化。现在我们要重新思考如何设计产品，以考虑这些自动化功能的设计。”

Bak USA最大的挑战之一，你可能会感到惊讶。

Malloy说，“duAro的工作很棒，系统集成也非常有效。但是一些看起来很琐碎的事情，比如试图在螺丝刀移动时让它的末端一直保持着一个小螺丝钉，对于我们来说，反而是最具挑战性的事情之一。”

但Bak USA得到的最大教训是什么？

“如今，每个人都说，他们的工作将被机器人取代。我们想证明那不是必然的。我们希望向业界表明，通过某种方式，人类可以加入自动化流程中，也可以创造新的工作，并且让工作环境更好。我们所学到的最重要的正面教训不在于技术，而在于我们向自己证明，你可以做到这一点。”

Bak USA的案例证明机器人不是要将所有人都取代，工人可以和自动化共存。人类可以和机器人一起安全地工作，不只是作为同事，而是作为合作者。

协作自动化也正在进入汽车总装，这是一个高度手动的领域。使用FANUC CR-35iA协作机器人（如前面大图所示），它具备35公斤的有效载荷能力，Esys Automation开发了一种协作机器人系统，将聚氨酯应用于汽车后方玻璃。

客户需要机器人聚氨酯应用的一致质量，但在操作员和机器人之间采用传统安全防护的封闭式电池缺乏足够的地面空间。Esys能够将占地面积减少一半，并创建一个操作员与协作机器人携手合作的过程。

这些协作机器人是六轴的，有效载荷甚至远大于35kg，都有力限制，可以跟人安全地工作。这些类型的特种工业机器人对其速度和可施加的力量及其可处理的有效载荷具有内在的限制。在大多数情况下，这些机器人可以靠近或直接与人类工作，而无需安全栅栏或其他外围安全设备。

然而，人机协作不仅仅是为协作机器人考虑的，高负载和高速机器人也可以加入进来，只不过需要在安全围栏外考虑。

重型机器人，更多合作者

VeoRobotics联合创始人兼工程副总裁Clara Vu说，“我们相信人类和机器人具有非常强大的互补性，通过让他们协同合作可以实现很多目标。在整个制造过程中，人的灵巧性、判断力和灵活性可以与机器人的强度、速度、精度和可重复性有效结合起来。”

Vu表示，“功率和力量限制机器人显然是一个重要步骤，但他们只解决了一个问题。我客户向我们提供应用场景，例如，他们希望机器人拿起沉重的部件，并对其进行操作时在工作人员帮助下将其放在特定位置。”

Vu认为需要一个能够利用标准工业机器人难以置信的功率、速度和亚毫米级精度的系统，但有能力与人们协同工作。Veo的联合创始人的目光瞄准了这一需求。

该公司成立于2016年，获得了西门子风险投资公司（现在的next47）的种子基金。去年10月，他们获得了GV（原谷歌风险投资公司）和Lux Capital的A轮融资1200万美元。

Veo试图通过帮助机器人更好地感知周围环境并“理解”工作单元中发生的事情，来弥合人与机器人之间的差距。

“例如，我们的系统与建立激光扫描仪的方式不同，例如将其连接到功能安全单元，是因为我们的系统了解工作单元中正在发生的事情，并了解机器人本身在做什么。我们正在以3D的方式做到这一点，这使得系统更加灵活，并能够对有人伸出手而不是进入工作单元做出反应。“

Veo的系统是一个软硬件结合的解决方案，Vu解释说。

“我们的系统硬件由定制的、安全的飞行时间（ToF）传感器组成，这些传感器将数据发送到运行计算机视觉和机器人控制算法的高性能嵌入式计算机上。计算机驻留在工作单元内，并直接与机器人控制器通信。“

该系统适用于目前市面上主要制造商的机器人。它将配备四种深度的ToF相机，Veo希望覆盖大多数制造工作单元应用，尽管Vu表示他们正在构建系统，以便在更复杂的环境中配置多达8台相机。

“我们的系统可以跟踪现场的机器人、工件和工人，并根据这些物体的位置确定是否安全。”

更重要的是，如果摄像机的视图由于某种原因被遮挡，则系统默认为最安全的位置。 如果可以确定机器人的运动是安全的，则系统只允许机器人移动。

Veo已经与包括汽车制造商及其一级供应商在内的众多合作伙伴合作。他们也在研究物料传送、金属制造和家电制造领域的应用，但人类和机器人仍然倾向于分离。

Vu说，“现在，当制造工程师设计一个流程时，他们会考虑这是一个手动流程还是一个自动化流程？我们真正希望他们能够做到的事情，以及我们所看到的全面需求，就是说，这个过程的哪些部分应该由一个人完成，哪些部分应该由机器人来完成。”

这是人机协作的精髓。利用各自的独特优势，将它们结合在一起，得到最优解。协作机器人以最佳的方式在工厂车间里发挥作用。

外骨骼背心

还有什么比穿在你身上的机器人更协作的呢？外骨骼与人类有着最亲密的关系。超越这种协作水平的唯一设备是在机体内部工作的机器人医疗设备。

现在我们来看看工业环境中的的外骨骼。福特汽车公司的装配线工作人员正在穿戴EksoVest，这是Ekso Bionics公司在加利福尼亚州里士满市制造的上半身外骨骼。

你可能不会把外骨骼想象成机器人，尤其是像EksoVest那样无动力的外骨骼。 但全球的研究人员正在不断探索更经济、更轻、更安全并且无动力的替代驱动方式。

ABI Research在其关于机器人外骨骼的报告中包括无动力外骨骼，预计到2025年市场将达到18亿美元。工业外骨骼预计将成为最强劲的增长点。

Ekso为工业领域提供无动力的外骨骼，并为康复应用提供动力外骨骼。Ekso为无动力的外骨骼提供了一个很好的例子，特别是对上半身的支持。

“从根本上说，外骨骼必须是协作性的，因为你将一个设备放到人体上，如果他们不能一起工作来完成预定的任务，人类会拒绝该设备，”Ekso用户体验经理Claire Cunningham说。

她接着解释道，“我们希望补充和支持用户完成他们想要完成的任务，而不是阻碍他们。尤其是使用EksoVest，这是专为全天使用而设计的。我们有人在汽车生产线上每天穿8小时，所以舒适度至关重要。将力量推向人体并使其舒适，这是一项非常艰巨的挑战。”

EksoVest旨在提升和支持工人的手臂，以协助完成从胸部以上高空作业的任务。背心重量不足5公斤，但你不会感觉到增加的重量，因为它分布在身体的不同部位。它支持每条手臂6.8公斤。

Cunningham说，“你穿上它时，根本不会想到它。腰带可将设备的许多重量转移到使用者的臀部和骨盆中，这里可以承受这种重量。同样背包背带和袖口袖带引导来自执行器和弹簧系统的力，然后以非常有战略意义的方式将其传递到手臂。您可以将一把工具放在手中，重量不超过6.8千克，并且可以整天拿着都不是问题。”

可穿戴协作机器人

Ekso很快指出，他们的背心不是一个提升携带辅助装置。 这并不意味着给你超人的力量，这是对许多外骨骼常见的误解。

Cunningham解释道，“这是一种‘马拉松’设备而不是动力提升设备。它有助于提升你的耐力，使用几天后你会真正注意到这个好处。你会有更多的精力，你的手臂会更轻松，你感觉会更好。我们使用此设备的目标是防止在全天工作的工作现场一些常见的伤害。”

当你开始举起你的手臂时，机械执行器将会启动并开始为你的手臂提供一点助力。应用包括任何类型的重复架空工作，如汽车装配线上的车身底板钻孔或排气系统安装。背心还可用于施工环境中，例如工人完成架空和电气工作、工业油漆、隔音板天花板安装和工业打磨。

在过去将近一年的时间里，福特一直在测试EksoVest，并测试了该设备的所有不同迭代。Cunningham表示，与福特的合作关系为外骨骼在工业中的工作提供了有用的见解。

“我们已经收到了福特以及其他测试者的反馈，并将其纳入设计变更中。现在我们正致力于将这些背心推向市场。”

EksoVest还可以个性化，包括腰带、手臂袖口和背包肩带在内的柔软物品都有不同的尺寸。您还可以通过调整执行器内的弹簧来改变提供给用户的力量。

EksoVest项目首席工程师Kevin Dacey解释说，“我们还可以独立地调整执行器。例如，如果工人在汽车生产线的汽车底板上钻孔，他们可以一手拿钻，另一只手拿螺母和螺栓，因此，他们可能会希望一只手力大，另一只手力小些。”

显然有一些智能设计融入这个设备，但它纯粹是机械的。与目前的工业机器人不同，这些是无源装置。没有电机，也没有电。

Dacey说，“不是所有的外骨骼都必须是电动的或电池供电的，机械式的更经济、更耐用。在工业领域，这些工人每周5天，每天8小时穿背心。他们不希望每天晚上都要记得充电。”

Cunningham解释说，“跟下肢相比，上肢更需要调动力量。我们的康复外骨骼，它是一个机电设备，它需要一个难以置信的扭矩，使人从坐到站。这几乎可以秒杀所有机电上肢外骨骼。”

机器人外骨骼依然是一个很新的前沿领域，Cunningham说，该领域正在不断发展。

“你会看到更多的机械外骨骼，因为它们更便宜。随着其价钱不断下降，越来越多的人将会接受机械外骨骼。机械外骨骼是人们日常生活所需的解决方案。我们预计未来10年内每个家庭都会有一个外骨骼。未来你还可以在本地硬件商店里购买各种材料，DIY一款属于你自己的外骨骼。”

机械，机电，液压，生物启发……机器人将应有尽有，就像我们一样。

队友

在机器人领域呆久了，你对事物的看法也会开始改变。你看到了考验和失败，挫折和成功，你的眼睛睁得大大的。你惊叹于进步，也开始更清楚地了解前方的挑战之路。

你会敏锐地意识到人体和精神的惊人能力。更令人惊讶的是，你发现自己将机器人归功于帮助你认识到人类每天拥有的真正独特的能力并理所当然。我们的创造力、想象力、感知力、敏捷性和令人难以置信的同情心和批判性思维能力。

机器人如何竞争？这不是必须的，我们作为一个团队将变得更强大。