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人机协作机器人将成为新一代智能制造系统的核心装备

陶永 2018-09-14 2850 208

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剖析产业发展现状

为区域/园区工作者洞悉行业发展

人机协作机器人是“设计用于在定义的协作工作空间内的与人直接交互的机器人”。人机协作机器人在工作过程中与工人和其他机器人形成伙伴关系,能够识别物理接触的可能性并规划回避动作。人机协作机器人需要具有易于训练和操作的特点,并能够与其他机器人和人类合作。

  人机协作机器人是“设计用于在定义的协作工作空间内的与人直接交互的机器人”。人机协作机器人在工作过程中与工人和其他机器人形成伙伴关系,能够识别物理接触的可能性并规划回避动作。人机协作机器人需要具有易于训练和操作的特点,并能够与其他机器人和人类合作。

  目前制造业机器人应用以传统工业机器人为主,通常售价偏高,功能单一,其重新编程复杂,且为了保证安全,需要与人隔离,从而限制了其在中小型制造企业的应用。而人机协作机器人除了具备传统机器人具有的速度和精度指标外,还具有碰撞检测“本质”安全以及快速编程、快速学习、快速部署的能力和投资回报快等突出特点,因此也被称为新一代智能工业机器人。人机协作机器人可灵活快速地在不同应用场景中切换,像人一样完成任务,特别适合小批量、多批次的柔性化生产,可完成目前90%传统自动化方案不能完成的工作,从而提高生产的灵活性、降低成本、提高效率和推动创新。

  当前世界各先进国家纷纷制定研究计划,开展人机协作机器人的相关研究工作。以美国为例,2017年初,在匹兹堡成立了由卡内基梅隆大学牵头建设的ARM(Advanced Robotics Manufacturing)计划,计划开展具有自主编程与人机协作功能的新一代机器人技术研究,构建具有自适应和可重构的柔性自动化生产线,目标是使美国始终处于先进制造业的领导地位,从而促进经济增长。

  产业发展现状分析

  传统工业机器人技术成熟,80%的市场份额被安川、FANUC、ABB和KUKA等国际机器人巨头所占据,国内厂商在成本、技术、性能、规模等方面与国外优势企业存在巨大差距,仅仅占有少量的市场份额,难以打破现有行业竞争格局。

  人机协作机器人作为机器人行业全新的发展方向,其技术体系与传统机器人有较大的差异,传统工业机器人厂商也都处于研发阶段,还未能推出成熟产品。目前占有人机协作机器人市场80%的份额的丹麦机器人厂商优傲机器人公司(Universal Robots,简称UR,如图1所示)属于创业型公司,正在打破由“四大家族”垄断的工业机器人市场格局。

图1  丹麦优傲机器人公司

  图1 丹麦优傲机器人公司

  未来20年我国对人机协作机器人的市场需求将达到100万台/套以上,市场规模在1000亿元以上。面对如此大规模的未来市场,我国也已将人机协作机器人列入国家相关发展战略,大力推动其相关技术研发、标准制定和产业化工作,这使得我国有望在未来的国际机器人产业竞争中抢占先机。

  人机协作机器人需攻克的关键技术

  (1)人机协作机器人的安全设计

  当前机器人产品设计缺乏有效的统一标准,通常是产品设计结束后,才开始考虑产品的安全性能,往往需要修改产品设计,从而造成了研发周期严重滞后和成本增加。开展人机协作机器人的安全设计方法研究,可为企业在设计开展阶段提供安全设计指导,提高产品开发的成功率,缩短研发周期,节约研发成本。

  (2)人机协作机器人的人机安全协作与操作技术

  人机安全协作与操作是人机协作机器人的主要功能与特点之一,要求机器人在拖动示教和运行过程保证操作人员的安全,需要提出相关的风险评估方法,评估的内容不仅包括机器人系统本身,还包括工作空间等所处的周围环境。

  (3)人机协作机器人系统的故障诊断与运行维护技术

  现有的机器人缺乏在线故障诊断,长期运行维护成本高。通过研究人机协作机器人故障诊断技术,可有效地检测机器人各关键部件的运行状态、机器人及控制系统的运行状态,对于可能发生的故障进行提前预警,从而延长机器人的使用寿命,减少生产线的故障停机时间。

  (4)基于人机协作机器人的柔性生产线系统集成技术

  智能制造的未来是构建具有可重构及自适应性的柔性生产线系统,传统的机器人由于应用不灵活、编程复杂而无法胜任。通过攻克人机协作机器人系统集成技术,可规范人机协作机器人与末端作业工具、生产线其他自动化设备和各种传感器的物理与信息接口,为柔性生产线系统设计与集成提供技术支撑。

  未来市场分析及推广应用前景

  人机协作机器人未来具有比传统工业机器人更加广泛的应用市场。从机器人发展以及市场需求来看,能与工人进行“对话”的人机协作机器人其发展空间要远高于传统意义的工业机器人。与传统的工业机器人相比,人机协作机器人安全、易用、实用,特别适合小批量、多批次的生产场合,尤其是机器人主体采购之后的后续投资所占比重远低于传统工业机器人,这些优点使得人机协作机器人被越来越多的用户所接受,其应用前景广泛。

  能与人进行更多的互动、沟通,人机协作机器人更具“智慧”,更能够适应现实世界的多变性,灵活快速地在不同应用场景中切换,像人一样完成任务。不同规模和行业类型的制造商都能享用部署便捷、易于采用和灵巧多样的自动化解决方案,提高生产的灵活性,降低成本和推动创新。

  从应用领域看,人机协作机器人主要应用在3C、汽车电子、金属加工等行业生产线上,用于大量重复的人工装配、测试等工位,这些领域要求机器人成本低、应用灵活、与人协作安全,传统机器人与传统自动化难以应用。

  未来5-10年,随着人工成本的增加及小批量多品种柔性定制生产的需求,人机协作机器人将会得到爆发性的增长。国际知名投行巴克莱银行预测,预计到2020年,人机协作机器人的年销售量将达到15万台,接近目前传统工业机器人的市场份额,而到2025年,这个数字将达到70万台,远远超过传统机器人的市场销量。

  我国已开展我国人机协作机器人的关键技术研究与系列产品研发,建议制定相关的标准,加快国产机器人产业发展,促进我国机器人企业占领千亿级的人机协作机器人市场,使我国制造业机器人核心装备不再受制于人,对于提高我国人机协作机器人产品和市场的竞争力具有重大作用和重要市场价值。


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