協(xié)作機器人執(zhí)行碼垛應(yīng)用。（圖片來源：斗山機器人）

在過去的幾年里，你可能見過協(xié)作機器人（cobots）在倉庫里堆垛托盤，在快餐連鎖店里制作薯條。如今的協(xié)作機器人已經(jīng)足夠強大，可以精確地處理重達 55 磅的有效載荷，并且足夠安全，可以與人類工人并肩作戰(zhàn)。在協(xié)作機器人不斷學習執(zhí)行更復雜任務(wù)（如配置應(yīng)用程序）的同時，人機界面（HMI）也變得更加簡單。設(shè)置可以在很短的時間內(nèi)完成，帶有觸摸屏和直觀編程功能的類似 PC 的平板電腦使員工很容易學會該系統(tǒng)。

當然，要充分利用 cobot 的優(yōu)勢，還需要為工作選擇合適的 cobot。本文將討論為您的制造應(yīng)用選擇 cobot 的五個關(guān)鍵考慮因素。

功能性

在制造業(yè)中，cobot 可執(zhí)行拾放、碼垛、裝配、焊接和機器操作等任務(wù)。在選擇過程中，首先要了解 cobot 將執(zhí)行的任務(wù)的參數(shù)。cobot 的運動是基于固定的重復運動，還是基于傳感器輸入的可變運動？運動速度有多快？cobot 可操作的空間有多大？所需的具體運動類型將確定所需的軸或關(guān)節(jié)數(shù)量。是否需要與人類直接互動？例如，在碼垛應(yīng)用中，cobot 是直接將貨物從生產(chǎn)單元卸載到托盤上，還是卸載到中轉(zhuǎn)區(qū)？是否需要旋轉(zhuǎn)要碼垛的物品？發(fā)現(xiàn)這些信息后，我們就可以做出決定，確定特定的 cobot 配置和接口，以滿足預定操作人員的需要。

確定尺寸

設(shè)計最佳 cobot 系統(tǒng)所需的重要因素包括有效載荷的大小和重量、預期到達距離、可重復性要求和可用占地面積。載荷極其重要，因為它會影響整個 cobot 組件，而重量和觸及范圍要求則決定了適當控制有效載荷所需的關(guān)節(jié)尺寸和數(shù)量。

機器人各部分（腰部、肩部、肘部、腕部和末端執(zhí)行器）的運動任務(wù)和設(shè)計決定了關(guān)節(jié)電機的扭矩和速度要求，以及關(guān)節(jié)間手臂的長度。有效載荷越重，伸展距離越長，實現(xiàn)最佳運動所需的扭矩就越大。cobot 的可重復性確定了機器人每次被要求移動到目標位置時能夠達到的接近目標位置的程度。

重復性由相對于目標位置的正負值來表示，該值越小，重復性越好。必須考慮機器人整個移動過程中的可用占地面積。在前面提到的碼垛應(yīng)用中，需要考慮每個待碼垛物品的重量和形狀，以及抓取機構(gòu)的重量。被拾取物品從工作單元到托盤的移動距離以及托盤的寬度將決定 cobot 的觸及范圍。最后，工作單元將物品運送到托盤站的預期速度將決定 cobot 抓取和放置物品的速度。

機器人設(shè)計人員收集這些具體信息，分析與所需運動相關(guān)的運動學。逆運動學分析具體的運動路徑，并確定每個可變關(guān)節(jié)的參數(shù)，以實現(xiàn)末端效應(yīng)器的位置和方向。計算會審查影響各關(guān)節(jié)加速度要求的慣性要求、與各關(guān)節(jié)電機相關(guān)的扭矩和速度參數(shù)以及運動的幾何形狀。當末端效應(yīng)器移動到所需位置時，關(guān)節(jié)間元件的長度決定了每個關(guān)節(jié)上的力矩負荷。這些計算的基礎(chǔ)是 Denavit-Hartenberg 參數(shù)，其中包括

沿前一個 Z 軸（旋轉(zhuǎn)軸）到公共法線（X 軸，即下一個關(guān)節(jié)的 Z 軸）的偏移量

從舊 x 軸到新 x 軸與前 z 軸的夾角

共同法線的長度（假定是一個旋進式關(guān)節(jié)，則為圍繞前一個 z 軸的半徑），圍繞共同法線的角度，從舊的 z 軸到新的 z 軸。

圖 1. 為斗山 M/H/A 協(xié)作機器人系列定義的參數(shù)和重心 (COG)。（圖片來源：斗山機器人）

這些參數(shù)（圖 1）通常由協(xié)作機器人制造商提供，還包括關(guān)節(jié)和連桿質(zhì)量以及相對于基面坐標的重心位置的詳細信息。

兼容性

雖然協(xié)作機器人可以獨立于任何其他系統(tǒng)運行，但它們通常在其他設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中使用。許多工業(yè)設(shè)備利用通用通信協(xié)議，使其能夠在通用網(wǎng)絡(luò)上運行。協(xié)作機器人的控制系統(tǒng)必須具有正確的“掛鉤和手柄”，以便與工廠內(nèi)的任何 PLC、HMI 或其他電子設(shè)備進行通信。

物聯(lián)網(wǎng)是另一個概念，它確定協(xié)作機器人如何通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程通信，可能與工廠中的其他類似協(xié)作機器人進行通信。在工廠加工區(qū)域，協(xié)作機器人可用于協(xié)助機器操作員將材料裝載到機床中。理想情況下，機床將與協(xié)作機器人進行通信，以指示何時需要新的毛坯或何時準備好移除成品零件。協(xié)作機器人需要通過公共總線網(wǎng)絡(luò)進行通信并共享相同的通信協(xié)議（例如，EtherCAT、Sercos、Profinet 或類似協(xié)議）。

使用方便

由于協(xié)作機器人按照設(shè)計是在制造環(huán)境中與人類協(xié)同工作，因此它們必須易于各種技能水平的工人操作。過去十年來，為協(xié)作機器人設(shè)計的軟件解決方案取得了長足的進步。

圖 2. 正在對協(xié)作機器人進行教學。（圖片來源：斗山機器人）

協(xié)作機器人界面（圖 2）的設(shè)計應(yīng)為人類操作員提供直觀且易于學習的圖形用戶界面。

協(xié)作機器人的目的是協(xié)助操作員（例如焊工）操作焊接機。經(jīng)驗豐富的焊工需要在不深入了解其每個元件的情況下操作協(xié)作機器人。選擇可以利用焊接專業(yè)知識進行預編程的協(xié)作機器人將更容易過渡到工作單元。

安全特性

在選擇任何協(xié)作機器人時，安全性至關(guān)重要。由于協(xié)作機器人在共享空間中與人類協(xié)作，因此它們必須配備許多固有的安全功能。徹底的風險評估對于確定特定的協(xié)作機器人設(shè)計是否滿足預期的安全需求至關(guān)重要。典型的安全功能包括基于集成到設(shè)計中的傳感器來防止過大的力、扭矩或速度的限制。安全運動配置由安全風險評估的結(jié)果決定，該評估定義了與特定安全事件相關(guān)的停止模式。

許多協(xié)作機器人控制器允許創(chuàng)建特定的安全區(qū)域，在其中激活預先確定的操作，例如降低速度、降低扭矩限制或其他避免碰撞例程。由于協(xié)作機器人應(yīng)用中人類的距離很近，因此系統(tǒng)設(shè)計人員必須進行徹底的安全分析，并且必須納入適當?shù)陌踩\動和安全機器 SIL 建議。ISO/TS 15066 提供了協(xié)作工作空間的設(shè)計和實施指南（圖 3）。

圖 3. 協(xié)作機器人滿足 TUV SUD 認證的基本安全措施。（圖片來源：TUV SUD）

碼垛應(yīng)用中的移動協(xié)作機器人

在碼垛示例中，要考慮的組件取決于所需的碼垛操作?？紤]協(xié)作機器人將執(zhí)行的功能，包括如何裝載或卸載產(chǎn)品、將協(xié)作機器人定位在哪里，以及將使用哪些傳感器技術(shù)進行運動和產(chǎn)品定位。在此示例中，最大有效負載高達 55 磅，所需范圍為 1.7 m。包裹拾取裝置將是一個重量約為 6.5 磅的輕型真空夾具。協(xié)作機器人將使用 Windows 操作系統(tǒng)下的可觸摸 PC。

該軟件必須包括具有簡化 GUI 的特定碼垛應(yīng)用程序。垂直提升系統(tǒng)應(yīng)包含伺服執(zhí)行器，并且將添加輪子以為協(xié)作機器人提供移動元件。具有 3 個自由軸（上、下、左、右）的雷達傳感器將用于距離檢測，以增強安全性。這個特定于應(yīng)用程序的需求集合開始涵蓋功能、規(guī)模和易用性考慮因素。兼容性元素將與 PC 操作以及 PC 操作如何聯(lián)網(wǎng)到工廠操作相關(guān)。

最重要的考慮因素是安全。本例中的安全風險評估可以考慮下面的停止事件和安全條件。

SIL3、PL e CAT4，包括安全扭矩關(guān)閉 (STO)、安全制動控制 (SBC) 和緊急停止。

SIL2、PL d CAT3，包括工具中心點 (TCP)/機器人位置限制、TCP 方向限制、TCP 速度限制、TCP 力限制、機器人動量限制、機器人功率限制、碰撞檢測、安全 I/vO 和反射停止。

所有這些安全事件均根據(jù)相應(yīng)的 IEC 或 ISO 標準進行測試，結(jié)果由機器安全專家進行認證。在將協(xié)作機器人投入生產(chǎn)之前，需要一份證明協(xié)作機器人已滿足所有適用安全標準的文件。

協(xié)作機器人在補充勞動力方面繼續(xù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們在應(yīng)用中的使用可以提高生產(chǎn)并使工作環(huán)境對人類來說更安全。在將協(xié)作機器人設(shè)計到應(yīng)用程序中時，遵循這些關(guān)鍵考慮因素將帶來成功的實施和豐厚的投資回報。