協(xié)作機器人在車身車間的應(yīng)用

徐蓓芬

摘 要：文章研究了協(xié)作機器人的引入背景及發(fā)展趨勢，并介紹了一種在車身車間內(nèi)使用協(xié)作機器人來減少操作工的解決方案，由機器人負責(zé)涂膠，人負責(zé)檢查質(zhì)量，從而產(chǎn)生高效的人機協(xié)作以及降低總成本。關(guān)鍵詞：協(xié)作機器人;人機協(xié)作中圖分類號：TP242.2? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-181-03

Abstract： This article studies the introduction background of collaborative robot and future development. We introduce a solution to reduce operators by using collaborative robot in body shop， in which the robot is responsible for sealing and the human is responsible for checking the quality， so as to achieve efficient human-robot collaboration and reduce the total cost.Keywords： Collaborative robot; Human-robot collaborationCLC NO.： TP242.2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-181-03

背景

1893年亨利福特發(fā)明了世界上第一輛以汽油為動力的汽車，美國開始進入汽車時代。1908年，美國通用汽車公司成立，此時的工業(yè)生產(chǎn)是以高密度的人員生產(chǎn)為主，后來伴隨著人力成本的上升，出現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和自動化的轉(zhuǎn)變。

上世紀(jì)70～80年代出現(xiàn)了第一代工業(yè)機器人，因其具備從事簡單重復(fù)勞動的能力，開始被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)中，工業(yè)機器人一直以來都是以替代人類的簡單重復(fù)勞動來實施的，實際上，是用機器人來替換人。

進入21世紀(jì)后伴隨著工業(yè)自動化、智能化的發(fā)展，人與機器人共同工作成為了可能，協(xié)作機器人應(yīng)運而生。協(xié)作機器人，也可稱之為綠色機器人，是設(shè)計和人類在共同工作空間中有近距離互動的機器人，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人是設(shè)計自動作業(yè)或是在有限的導(dǎo)引下作業(yè)，因此不用考慮和人類近距離互動，其動作也不用考慮對于周圍人類的安全保護，而這些都是協(xié)作式機器人需要考慮的機能，故協(xié)作機器人可以打破傳統(tǒng)工業(yè)機器人應(yīng)用呆板的模式，實現(xiàn)更靈活和安全的人機協(xié)作的應(yīng)用，這也給我們帶來了工業(yè)機器人應(yīng)用的新思路。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 傳統(tǒng)機器人的現(xiàn)狀

首先，傳統(tǒng)機器人部署成本較高。單獨的普通工業(yè)機器人無法直接用于生產(chǎn)線上，一條可靠的自動化生產(chǎn)線需要很多外圍設(shè)備支持，然而這些外圍設(shè)備控制系統(tǒng)又由很多軟硬件組成，投資成本較高，后續(xù)涉及生產(chǎn)線的更改，改動時間、難度以及費用都較高。

其次，傳統(tǒng)機器人無法達成中小企業(yè)的訴求。

如本文背景所述，傳統(tǒng)工業(yè)機器人的目標(biāo)市場是可以進行大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)，而中小企業(yè)主要以小批量、定制化及短周期為特征，這樣就要求機器人具有較低的綜合成本、快速部署及重部署的能力以及簡單上手的使用方法，這些對傳統(tǒng)機器人來講較難實現(xiàn)。

最主要的是，傳統(tǒng)機器人適應(yīng)不了新興的協(xié)作市場的需求。隨著人力成本的上升，很多以前沒有或很少使用機器人的行業(yè)，開始尋求機器人自動化的解決方案。比如要完成一項綜合性的工作，由人類負責(zé)對柔性、觸覺及靈活性要求比較高的工序，機器人則利用其快速、準(zhǔn)確的特點來負責(zé)重復(fù)性的工作，如果二者要合作，以安全為本出發(fā)，人還要先通過安全門，確保人和機器人不進入同一空間內(nèi)而發(fā)生接觸，這樣，整體的工作效率優(yōu)勢并不明顯好于單獨使用人。由此，就產(chǎn)生了機器人要具有安全的人機協(xié)作特性的業(yè)務(wù)需求。

1.2 協(xié)作機器人的研發(fā)狀態(tài)

協(xié)作機器人無需嚴(yán)密的安全設(shè)施和復(fù)雜的控制監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用范圍靈活，可以獨立使用也可以輔助人類進行操作，從而更滿足新興的市場需求。

ABB在2014年推出了其首款協(xié)作機器人YuMi，目標(biāo)市場為消費電子行業(yè)。YuMi在2015年4月在德國漢諾威工業(yè)博覽會上推向市場。同年，庫卡發(fā)布了協(xié)作機器人LBR iiwa，安川Motoman也發(fā)布了協(xié)作機器人產(chǎn)品Dexter Bot，緊接著，發(fā)那科的協(xié)作機器人也在2015年推出面世。

目前研發(fā)協(xié)作機器人的企業(yè)分成四類：

（1）擁有核心技術(shù)的創(chuàng)新型企業(yè)，例如丹麥Universal Robots的UR系列機器人和美國Rethink RoboTIcs的Baxter 和Sawyer協(xié)作機器人。

（2）傳統(tǒng)工業(yè)機器人巨頭，例如ABB、庫卡等。

（3）互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，比如谷歌、亞馬遜等，這些企業(yè)大都具備核心技術(shù)、業(yè)內(nèi)資源、資本運作等優(yōu)勢。

（4）國內(nèi)自主品牌，現(xiàn)已有新松機器人、廣州啟帆、山思躍立、遠榮機器人等為代表的自主品牌協(xié)作機器人。

1.3 協(xié)作機器人的發(fā)展趨勢

從汽車行業(yè)來講，通過近50年的自動化發(fā)展，機器人替換人的簡單勞動已走到窮盡，后期減員增效的措施之一就是通過協(xié)作機器人的發(fā)展，想方設(shè)法去分解人類復(fù)雜勞動、應(yīng)變操作及降低操作綜合難度，理想的狀態(tài)是“人”做綜合感知類質(zhì)量判斷，而“機”做高質(zhì)量及重復(fù)性要求的動作，達到人機協(xié)同工作的目的。

根據(jù)MIT研究人員在BMW工廠的一項研究，人類與協(xié)作機器人共同工作效率會比人或機器單獨工作要高，而且能減少85%的工作空閑時間。

在國際范圍的汽車行業(yè)內(nèi)，總裝車間率先使用協(xié)作機器人，已經(jīng)運用協(xié)作機器人的工廠有：奧迪工廠、梅賽德斯-奔馳工廠及南卡羅萊納州的寶馬工廠等。

未來，協(xié)作機器人是“中國制造2025”和德國工業(yè)4.0共同關(guān)注的方向，也被譽為工業(yè)機器人2.0，機器人在汽車生產(chǎn)工人的身旁協(xié)同工作，機器人負責(zé)做，人負責(zé)檢查，從而產(chǎn)生極高效率的“人機協(xié)作”，這將是未來汽車生產(chǎn)減員增效的發(fā)展方向。

2 應(yīng)用可行性

2.1 協(xié)作機器人的特點

如圖1所示，考慮協(xié)作機器人的布局規(guī)劃時，可以使其與人員在同一個空間工作，而不用像傳統(tǒng)的工業(yè)機器人一樣使用安全圍欄隔離開。

考慮協(xié)作機器人的安全性時，協(xié)作機器人由其本身的設(shè)備特性保證，一旦協(xié)作機器人與其周邊的人員或物體發(fā)生觸碰時，機器人將自動停止，不會發(fā)生人員受傷。

考慮協(xié)作機器人的應(yīng)用時，其具有容易上手、調(diào)試高效等特點，在示教軌跡時，人員僅需握住操作手柄引導(dǎo)機器人動作，記錄后機器人即刻自動按軌跡動作，比起傳統(tǒng)的機器人上手難、操作要求高，在爭分奪秒的生產(chǎn)線上更體現(xiàn)出快速調(diào)試及恢復(fù)的優(yōu)勢。

2.2 車身車間的應(yīng)用分析

目前汽車行業(yè)，國內(nèi)外各家汽車公司都有研究人機協(xié)作機器人的應(yīng)用。車身車間主要承擔(dān)的是焊接作業(yè)，人員勞動強度較大，技能要求高，工作時間長，流水線作業(yè)的線體上分布著大量的工業(yè)機器人，需要重點關(guān)注人機交互，確保人身安全。

使用傳統(tǒng)機器人的線體必然要使用工位圍欄物理隔絕或使用光柵等安全元件進行安全防護，如果有方法去除這些防護設(shè)備，一方面，必然可以節(jié)省車間場地、節(jié)省外圍設(shè)備投資以及降低電氣調(diào)試難度。另一方面，通過機器人與人的協(xié)作，可以優(yōu)化人機工程，減少工作負荷，提高裝配質(zhì)量，最終達到減員增效的目的，對造車總投資又是進一步的降低。

3 方案設(shè)計

3.1 試點工位選取

首先，需要尋找一個由操作工與自動線體有交互的工位，并且操作人員本身需要承擔(dān)較多或者較復(fù)雜的工藝操作，比如手持膠槍對零件進行涂膠的工位。

經(jīng)過對車身車間的排查分析，在底板線體進行后輪罩涂膠上料的工位UB090具備試點的條件。如圖2所示，該工位需要在線體兩側(cè)各配備一名操作工，先在工作臺上對左右后輪罩進行涂膠，然后各自將左右后輪罩放到上料口。這2名操作工工作負荷較高，而鄰近的UB070門檻板上料工位的操作工也沒有富余的時間可以幫忙承擔(dān)掉涂膠工作。所以，原有狀態(tài)門檻板和后輪罩上料工位一共有4名操作工同時在進行工作。

通過上述分析，4名操作工均有人工涂膠然后上料到線體上料口的工作，且相鄰兩個上料工位相對距離較遠，工作位置間的行走距離為15米。從此工位著手，如果可以有設(shè)備分擔(dān)掉后輪罩人工涂膠的工作并相應(yīng)調(diào)整工位布局，即可以由2名操作工完成剩余的工作，實現(xiàn)減員2人/班。

3.2 協(xié)作機器人引入方案

如果使用傳統(tǒng)的工業(yè)機器人，除了2臺機器人本體以外，需要布置圍欄和光柵把機器人工作區(qū)域與操作工隔絕開來，然而如圖2所示，現(xiàn)有自動工位布局已經(jīng)占滿機器人，沒有空間安置這些額外的設(shè)備。

所以如圖3所示，最優(yōu)的方案是通過在門檻板上料操作工身邊增加2臺協(xié)作機器人，無需增加工位防護即可實現(xiàn)后輪罩自動涂膠的工藝。此時2臺協(xié)作機器人已經(jīng)承擔(dān)了后輪罩操作工的大部分工作，同時，為減少操作工的走動距離，我們對后輪罩上料口進行改造，讓后輪罩上料位置更接近門檻板工位，這樣由門檻板操作工承擔(dān)掉后輪罩的上料工作，從而達到節(jié)省2名后輪罩操作工的目的。

此方案涉及的新增設(shè)備除了2臺協(xié)作機器人以外，僅有簡易的工裝涂膠臺，涉及的設(shè)備改造僅為人工涂膠槍用于協(xié)作機器人的膠槍改造，上料口方向的改造以及少許圍欄電氣輔件的微小改動。

3.3 方案小結(jié)

協(xié)作機器人的引入方案，相比引入傳統(tǒng)機器人，節(jié)省了工藝占地面積，節(jié)省了光柵等電氣安全輔件和自動涂膠照相的設(shè)備投資。

從設(shè)備投入對標(biāo)人員投入的方面來看，按照5年工廠2班運行的方式，每班節(jié)省2名操作工，扣除設(shè)備投入和維護費用，總節(jié)省可高達200余萬元。

從人機協(xié)作的發(fā)展方向來看，協(xié)作機器人作為人機協(xié)作以及有限布局空間的工藝規(guī)劃新思路，可實現(xiàn)節(jié)省自動設(shè)備投資以及減員的目標(biāo)，將減員增效的可能性想法化為實踐的可行性方案。車身車間此次引入?yún)f(xié)作機器人，拓展了其應(yīng)用范圍，為車身車間的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝運用積累經(jīng)驗，為協(xié)作機器人的試點奠定推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。

4 總結(jié)與展望

隨著工業(yè)4.0的來臨，協(xié)作機器人在汽車生產(chǎn)工人的身旁協(xié)同工作，從而產(chǎn)生極高效率的“人機協(xié)作”，這將是未來汽車生產(chǎn)減員增效的發(fā)展方向。

本文創(chuàng)新的介紹了一種在車身車間內(nèi)使用協(xié)作機器人來減少操作工的解決方案，由機器人負責(zé)涂膠，人負責(zé)檢查質(zhì)量，從而產(chǎn)生高效的人機協(xié)作以及降低總成本。

利用協(xié)作機器人的特性，在未來可以拓展出更多的應(yīng)用，不僅可以用于車身車間的涂膠工作，在更多人機協(xié)作、場地有限的工況下，都可以考慮讓協(xié)作機器人承擔(dān)操作工的復(fù)雜工藝。相信在自動化設(shè)備不斷進步的同時，車身車間的自動化、協(xié)作化程度也會緊跟著不斷提高。

參考文獻

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