机器人提制造生产

将人工操作的认知能力和机器人结合在一起,有助于提升自动制造过程的生产率。 

文/ Andrew Wilson

现在,机器人系统在许多自动化生产过程中已经司空见惯。例如在汽车工业中,机器人系统用于发动机、变速器和车轴的组装以及车身的喷涂和焊接。部署了机器人系统后,不仅能将人工操作者从这类危险、高度重复和棘手的任务中解脱出来,同时还能提高制造生产线的生产率。

传统上,通常将这类基于机器人的系统通过安全防护装置与人工操作员分开,以防止因快速移动的机器人作业导致操作员受伤。这种方法虽然有益处,但是如果必须由操作员将工件放置到机器人单元的工作空间中去的话,便会导致生产率下降。

力限制

鉴于这个原因,制造商正在引入采用扭矩传感器和视觉系统的新一代机器人,使得这类机器人系统能够与人类更为精密地协同工作。通过结合操作人员的认知能力和机器人自动化的潜力,这些所谓的力限制(force-limited)机器人——有时被误称为协作机器人(或者cobot),将会增加自动化生产过程的生产率。

当然,要使这样的机器人与人类更加紧密的合作,将需要重新审视当前的安全标准。目前,有一些标准针对工业机器人的内在安全部署规定了要求和准则。这些内容描述了与操作和方法相关的基本危害,以消除或适当减少此类危害。

这些标准中最重要的一条,是由国际标准化组织(ISO)为工业机器人标准颁布的ISO 10218安全要求,该标准已经被世界各地的很多其他组织所采纳。这些组织包括美国国家标准协会(ANSI)和机器人工业协会(RIA),为工业机器人和机器人系统颁布了ANSI/RIA R15.06-2012美国国家标准标准;以及加拿大职业卫生与安全中心(CCOHS),该中心发布了CAN/CSA-Z434-03 (R2013) 工业机器人和机器人系统通用安全要求。

尽管ISO 1028定义了某些安全要求,但为了使人类/机器人协同操作变得能够完全被接受,将需要进一步的标准。正因为如此,ISO目前正在补充和细化协同工业机器人的附加要求。该ISO /技术规范(TS)15066将包含在人类/机器人发生碰撞的情况下,可能会造成伤害的冲击力和压力的限制。

虽然每套机器人系统可以被称为是协作的,但那些没有力限制的机器人系统必须经常使用安全防护装置或视觉系统,使得它们能够在人类周围操作。然而,情况并非总是如此。许多工业任务需要使用沉重和繁琐的手动工具,操作人员反复使用这些工具时会很艰苦。

电动工具

采用机器人辅助系统有点类似于使用电动工具,其能够显著减少手动操作。近日,这类人工辅助系统已经在从半导体制造到去肉剔骨等不同领域中找到应用。例如,法国RB3D公司(www.rb3d.com)已开发出一套系统,其采用Cobot 1A30机器人辅助操作人员插入电力电子元器件。

美国Kinea Design公司(www.kineadesign.com)和新西兰Scott Technology公司(www.scotttechnology.com.au)共同开发了类似的助力机器人,已被设计用于牛肉剔骨。该HookAssist系统设计用于降低对肉类加工厂进行大块肉剔骨的工人的体力要求。

与助力转向放大驾驶员施加的转向力类似,如果操作员施加10磅的力,HookAssist将施加100磅的力。在拉动、撕裂和/或吊起大块的肉时,钩上的两轴助力做了90%的工作,同时允许四个附加轴的运动。可在http://bit.ly/1vEMNzP浏览该系统的操作视频。

虽然这类动力辅助系统能够提供协助,多家公司正在开发机器人与人工操作员并肩工作、而无需传统的安全防护系统。相反,这些力限制机器人常常以降低的有效载荷运行在较低的速度下。为了确保不对操作人员造成严重伤害,这种机器人采用传感器来探测外部的力,有时表面区域采用软垫,以减少它可能发生的任何冲击影响。

机器人手臂

目前,希望将这些机器人集成到他们系统中的研究人员,会从一些单臂、双臂子系统和结合机器人和机器视觉能力的完全集成的子系统中进行选择。单臂机器人,例如美国KUKA Robotics公司的LBR iiwa、丹麦Universal Robots公司的UR5和UR10协作机器人手臂目前已经上市,而美国Fanuc America公司的“green”原型协作机器人手臂将于今年发布。

LBR iiwa机器人的每根轴(共七根轴)上都有扭矩传感器,通过连接在机器人上的端部执行器,以50 mm/s的速度接近一只生鸡蛋,目的是演示其碰撞灵敏度(http://bit.ly/1EgwW9I)。

像LBR iiwa一样,Universal Robotics公司的六轴UR5和UR10也满足ISO 13849:2008标准规定的要求。这是通过监测接头位置和速度,以及工具中心点(TCP)的位置、方向、速度、力和机器人的动量以及功率来实现的。

除了Fanuc、KUKA Robotics和Universal Robotics这样的知名供应商外,其他一些非知名公司也在提供单臂协作机器人系统。例如,瑞士F&P Robotics公司目前提供两种版本的P-Rob系列产品——P-Rob 1R和P-Rob 1U,它们分别提供六个和四个自由度,并支持开源的机器人操作系统(ROS)。德国gomtec公司已开发了三种版本的六轴机器人,命名为Roberta,各自具有不同的有效载荷能力(最高达到12 kg)和可触及能力(最高达到1.2 m)。

双臂配置

单臂机器人可以用于双臂配置中,例如组件装配之类的应用可以受益于协作双臂机器人的使用。就像它们的单臂相应版本一样,这些双臂配置带有力传感器,使它们能够在人类周围工作,且不需要安全防护。

然而,与单臂配置不同,这些机器人通常采用视觉系统,进而能够识别人类的存在和/或允许它们识别其视场范围内的物体的位置和方向。

如今,许多公司都已经宣布了这种机器人,而其他公司也将很快推出类似的系统。最早这样做的一家公司是美国Rethink Robotics公司,它推出了Baxter双臂协作机器人。机器人的每个臂具有七个自由度,配备三台相机,一台装在任意一个臂上,一台装在机器人的头部。此外,采用红外传感器探测操作人员是否在距离机器1.5~15英寸的范围内。

机器人已经被部署用于多种不同的应用中,包括从旋转热压吸塑包装机中排空完成的纸箱,并将它们放置在传送带上。可在http://bit.ly/1EgN8rO浏览美国Praxis Packaging Solutions公司的机器人执行此项任务的视频。

德国pi4_robotics公司的Workerbot3的每个臂具有六个自由度,满足ISO 10218规定的要求,其特征是带有集成500万像素GigE工业相机的可选真空夹具,用于识别其视场范围内物体的位置(见图1)。和Rethink Robotics公司一样,pi4_robotics公司也已经演示了机器人在自动化制造过程中的应用。这里,注模机生产的三维部件传递到pi4公司生产的、配有集成光学部件的位置和方向识别功能的workerbot3机器人。机器人随后将部件放置到镀膜机中,部件在镀膜机中被镀上均匀的薄铬膜。然后,workerbot3取出已镀膜的部件,利用pi4公司的inspectoid-M1检测系统检查光学质量,并将已检验的部件放置到托盘中。

 

图1:pi4_robotics公司的Workerbot3符合ISO 10218规定的要求,配备带有集成500万像素GigE工业相机的可选真空夹具,用于识别其视场范围内物体的位置。

日本Kawada Industries公司和日本先进工业科学技术研究所(AIST)合作开发的Nextage协作机器人的每个臂也具有六个自由度。机器人的“头部”连接了立体相机,用于检测工作环境的变化,并允许机器人适应生产线环境的变化,而两个臂端部的相机有助于确定正被处理的对象的特定位置。

正在开发的产品

尽管目前Baxter、Workerbot3和Nextage的协作机器人已经上市,其他公司──值得一提的是瑞士ABB公司、日本Seiko Epson公司和美国Nachi公司正希望很快推出类似的产品。

 

ABB公司四月在德国汉诺威工业博览会上推出的YuMi是一款双臂机器人,设计用于像小零件组装这样的应用;在这类应用中,人和机器人合作完成同一项任务(见图2)。该机器人具有柔软、装有垫子的双臂和力感应技术,以确保人工操作员的安全。

图2:ABB公司四月在德国汉诺威工业博览会上推出的YuMi是一款双臂机器人,设计用于像小零件组装这样的应用。

 

如同ABB公司一样,Seiko Epson公司也已经宣布了配有视觉和力传感器功能的自主双臂机器人原型,该公司计划于2016年3月推出商业化产品(见图3)。根据Seiko Epson公司所言,该机器人可以通过识别三维空间中物体的位置和方向来自主执行任务。两个机器人手臂将配有多用途的端部执行器,可以抓握、夹紧、插入各种形状和大小的物体。

图3:Seiko Epson公司也已经宣布了配有视觉和力传感器功能的自主双臂机器人原型,该公司计划于2016年3月推出商业化的产品。

 

Nachi公司正在准备的协作机器人也将具备立体视觉。每个臂具有六个自由度,概念机器人的“头”上带有立体相机。该机器人于2013年在日本东京召开的国际机器人展览会上以装配真空吸尘器的形象首次亮相。感兴趣的读者可在http://bit.ly/1zI1m0n上浏览机器人执行此任务的视频。