協(xié)作機(jī)器人執(zhí)行碼垛應(yīng)用。（圖片來(lái)源：斗山機(jī)器人）

在過(guò)去的幾年里，你可能見(jiàn)過(guò)協(xié)作機(jī)器人（cobots）在倉(cāng)庫(kù)里堆垛托盤，在快餐連鎖店里制作薯?xiàng)l。如今的協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)足夠強(qiáng)大，可以精確地處理重達(dá) 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(jī)器人不斷學(xué)習(xí)執(zhí)行更復(fù)雜任務(wù)（如配置應(yīng)用程序）的同時(shí)，人機(jī)界面（HMI）也變得更加簡(jiǎn)單。設(shè)置可以在很短的時(shí)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(xué)會(huì)該系統(tǒng)。

當(dāng)然，要充分利用 cobot 的優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(jī)器操作等任務(wù)。在選擇過(guò)程中，首先要了解 cobot 將執(zhí)行的任務(wù)的參數(shù)。cobot 的運(yùn)動(dòng)是基于固定的重復(fù)運(yùn)動(dòng)，還是基于傳感器輸入的可變運(yùn)動(dòng)？運(yùn)動(dòng)速度有多快？cobot 可操作的空間有多大？所需的具體運(yùn)動(dòng)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(dòng)？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(yù)定操作人員的需要。

確定尺寸

設(shè)計(jì)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(yù)期到達(dá)距離、可重復(fù)性要求和可用占地面積。載荷極其重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響整個(gè) cobot 組件，而重量和觸及范圍要求則決定了適當(dāng)控制有效載荷所需的關(guān)節(jié)尺寸和數(shù)量。

機(jī)器人各部分（腰部、肩部、肘部、腕部和末端執(zhí)行器）的運(yùn)動(dòng)任務(wù)和設(shè)計(jì)決定了關(guān)節(jié)電機(jī)的扭矩和速度要求，以及關(guān)節(jié)間手臂的長(zhǎng)度。有效載荷越重，伸展距離越長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)動(dòng)所需的扭矩就越大。cobot 的可重復(fù)性確定了機(jī)器人每次被要求移動(dòng)到目標(biāo)位置時(shí)能夠達(dá)到的接近目標(biāo)位置的程度。

重復(fù)性由相對(duì)于目標(biāo)位置的正負(fù)值來(lái)表示，該值越小，重復(fù)性越好。必須考慮機(jī)器人整個(gè)移動(dòng)過(guò)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(gè)待碼垛物品的重量和形狀，以及抓取機(jī)構(gòu)的重量。被拾取物品從工作單元到托盤的移動(dòng)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(yùn)送到托盤站的預(yù)期速度將決定 cobot 抓取和放置物品的速度。

機(jī)器人設(shè)計(jì)人員收集這些具體信息，分析與所需運(yùn)動(dòng)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析具體的運(yùn)動(dòng)路徑，并確定每個(gè)可變關(guān)節(jié)的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)末端效應(yīng)器的位置和方向。計(jì)算會(huì)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(jī)相關(guān)的扭矩和速度參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)的幾何形狀。當(dāng)末端效應(yīng)器移動(dòng)到所需位置時(shí)，關(guān)節(jié)間元件的長(zhǎng)度決定了每個(gè)關(guān)節(jié)上的力矩負(fù)荷。這些計(jì)算的基礎(chǔ)是 Denavit-Hartenberg 參數(shù)，其中包括

沿前一個(gè) Z 軸（旋轉(zhuǎn)軸）到公共法線（X 軸，即下一個(gè)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(zhǎng)度（假定是一個(gè)旋進(jìn)式關(guān)節(jié)，則為圍繞前一個(gè) 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(jī)器人系列定義的參數(shù)和重心 (COG)。（圖片來(lái)源：斗山機(jī)器人）

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

兼容性

雖然協(xié)作機(jī)器人可以獨(dú)立于任何其他系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行。協(xié)作機(jī)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(jìn)行通信。

物聯(lián)網(wǎng)是另一個(gè)概念，它確定協(xié)作機(jī)器人如何通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，可能與工廠中的其他類似協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行通信。在工廠加工區(qū)域，協(xié)作機(jī)器人可用于協(xié)助機(jī)器操作員將材料裝載到機(jī)床中。理想情況下，機(jī)床將與協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行通信，以指示何時(shí)需要新的毛坯或何時(shí)準(zhǔn)備好移除成品零件。協(xié)作機(jī)器人需要通過(guò)公共總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jī)器人按照設(shè)計(jì)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(guò)去十年來(lái)，為協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)的軟件解決方案取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

圖 2. 正在對(duì)協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行教學(xué)。（圖片來(lái)源：斗山機(jī)器人）

協(xié)作機(jī)器人界面（圖 2）的設(shè)計(jì)應(yīng)為人類操作員提供直觀且易于學(xué)習(xí)的圖形用戶界面。

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

安全特性

在選擇任何協(xié)作機(jī)器人時(shí)，安全性至關(guān)重要。由于協(xié)作機(jī)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于確定特定的協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)是否滿足預(yù)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(jì)中的傳感器來(lái)防止過(guò)大的力、扭矩或速度的限制。安全運(yùn)動(dòng)配置由安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果決定，該評(píng)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(jī)器人控制器允許創(chuàng)建特定的安全區(qū)域，在其中激活預(yù)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(jī)器人應(yīng)用中人類的距離很近，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須進(jìn)行徹底的安全分析，并且必須納入適當(dāng)?shù)陌踩\(yùn)動(dòng)和安全機(jī)器 SIL 建議。ISO/TS 15066 提供了協(xié)作工作空間的設(shè)計(jì)和實(shí)施指南（圖 3）。

圖 3. 協(xié)作機(jī)器人滿足 TUV SUD 認(rèn)證的基本安全措施。（圖片來(lái)源：TUV SUD）

碼垛應(yīng)用中的移動(dòng)協(xié)作機(jī)器人

在碼垛示例中，要考慮的組件取決于所需的碼垛操作。考慮協(xié)作機(jī)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(jī)器人定位在哪里，以及將使用哪些傳感器技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)品定位。在此示例中，最大有效負(fù)載高達(dá) 55 磅，所需范圍為 1.7 m。包裹拾取裝置將是一個(gè)重量約為 6.5 磅的輕型真空夾具。協(xié)作機(jī)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(jiǎn)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(jī)器人提供移動(dòng)元件。具有 3 個(gè)自由軸（上、下、左、右）的雷達(dá)傳感器將用于距離檢測(cè)，以增強(qiáng)安全性。這個(gè)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(dòng)控制 (SBC) 和緊急停止。

SIL2、PL d CAT3，包括工具中心點(diǎn) (TCP)/機(jī)器人位置限制、TCP 方向限制、TCP 速度限制、TCP 力限制、機(jī)器人動(dòng)量限制、機(jī)器人功率限制、碰撞檢測(cè)、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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果由機(jī)器安全專家進(jìn)行認(rèn)證。在將協(xié)作機(jī)器人投入生產(chǎn)之前，需要一份證明協(xié)作機(jī)器人已滿足所有適用安全標(biāo)準(zhǔn)的文件。

協(xié)作機(jī)器人在補(bǔ)充勞動(dòng)力方面繼續(xù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們?cè)趹?yīng)用中的使用可以提高生產(chǎn)并使工作環(huán)境對(duì)人類來(lái)說(shuō)更安全。在將協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)到應(yīng)用程序中時(shí)，遵循這些關(guān)鍵考慮因素將帶來(lái)成功的實(shí)施和豐厚的投資回報(bào)。