协作机器人在工业4.0中的关键作用

EsbenH.Qstergaard

一、概述

本文旨在解析协作机器人（Cobots）在备受瞩目的工业4.0中的关键作用。在充分明确“工业4.0”和“协作机器人”的相关理念的前提下，我们将重点研究协作机器人在工业4.0环境中的适用性，及其在工业4.0的整体发展中所发挥的作用。最后，我们将展示协作机器人的特殊性质和功能如何揭示工业4.0理念中隐含的一些局限性。

二、IndUStry4.0

1、理念探源

工业4.0是德国联邦科教部（German Federal Ministryof Educationand Research）采用的口号，指明了第四次工业革命为德国工业创造的新机会。该部门积极支持公司通过其“Zukunftsprojekt Industrie 4.0”项目以及与德国联邦经济和能源部（German Federal Ministry for EconomicAffairsand Energy）联合运营的“Plattform Industrie 4.0”，谋求新的发展机会。

2、工业4.0与第四次工业革命

“第四次工业革命”一词通常被理解为一系列充分融合实体与数字世界的制造技术，并且以在人工智能（AI）、机器人、物联网（IoT）、无人驾驶汽车和3D打印等技术领域取得的突破作为主要驱动力。

与对工业生产更为严格的工业4.0不同，“第四次工业革命”一词也涵盖了技术变革对民间团体、治理结构和人类认同的影响。

3、工业4.0的定义

工业4.0的理念已不仅局限于德国，目前已广泛应用于世界各地。该理念采用不同的定义方式，援引那些通常被认为是该理念“创始人”的工业4.0工作组成员的描述，维基百科将工业4.0定义为CPS信息物理系统、物联网和云计算的结合，通常被称为“智慧工厂”。

德国联邦科教部的设想是“机器能够彼此沟通，在生产过程中能够相互告知任何错误，识別和订购不足的材料，这就是智慧工厂”。

2015年，麦肯锡将工业4.0定义为“制造业数字化的下一个阶段”，其中包括四个推动阶段：数据量、计算能力和连接性的惊人增长，特別在新型低功率广域网;分析和商业智能能力的出现;人机交互的新形式，如触摸界面和增强现实系统;以及将数字指令传输到实体世界的改进，如先进的机器人技术和3D打印。优傲机器人认为，工业4.0主要是将互联网作用于制造业。

4、工业4.0设计原则

目前政府和专家已经制定了一套工业4.0设计原则，以帮助企业识別和实施工业4.0情境。这些原则是：

互操作性：通过机器、设备和传感器和人们能够通过物联网（IoT）或互联网（IoP）相互连接和通信。

信息透明度：信息系统能够通过集成来自传感器数据的数字化工厂模型创建实体世界的虚拟副本。这需要将原始传感器数据整合为具有更高价值的信息。

技术援助：首先，援助系统能够通过综合和可视化信息来帮助人员做出明智的决策并在短时间内解决紧急问题。其次，CPS信息物理系统能够执行一系列对于人工操作者不快、过于疲劳或不安全的任务，从而切实为人工操作提供支持。

分散化决策：CPS信息物理系统能够自行做出决定并尽可能自主地执行任务。只有在发生例外、干扰或冲突目标的情况下，才将任务委托给更高级別的系统。

5、质疑和批评

工业4.0的理念或许会被批评为华而不实的营销口号或新闻炒作。某些评论家指出，技术变化是不断发生的，这样过分简化的场景，实际上是具有误导性的。另一些批评者看到了工人和其他相关人员所面临的一些危险，除非制定了排除失业影响的制度，并确保工业4.0产生的财富广泛分配于社会。最后，工业4.0支持者和批评者指出，采用基于工业4.0相关标准的情境面临着许多挑战。常见的挑战包括：

集成新系统和对数字化系统的更多使用，数据安全性问题将大幅加剧。专有的生产知识安全也会受IT安全问题的影响;

成功的CPS信息物理系统通信需要高度的可靠性和稳定性，但能难以实现和维护;

用较少的人力监督维持生产过程的完整性;

引入新型自动化设备时，缺少高技术能力和高附加值的人工;

如何避免可能导致高成本生产过程中断的技术问题。

三、协作机器人

1、协作机器人的定义

协作机器人（Cobot）是一种旨在能够与人工操作者进行合作的机器人。协作机器人的早期研究和标准化工作主要侧重于安全性，目的是实现机器人与人工操作者一起工作。在开发世界上第一个获得商业成功的协作机器人时，优傲机器人意识到，如想真正实现机器人的协作性，还需要方便操作的编程、轻量化的设计和灵活性的部署。

优傲机器人在2008年推出了UR5，隨后又在2012年推出了UR10，在2015年，桌面型机器人UR3诞生了。基于优傲机器人的启发，其他一些机器人制造商随后也进入了协作机器人领域，到2017年中旬，约有40家公司积极推广“协作机器人”。

2、优傲机器人公司的协作机器人

优傲机器人公司的协作机器人具有以下特点：

仅包括占地空间很小的机器人手臂;

确保操作人员在工作中的安全性，不需要保护性围栏;

便于普通操作人员进行编程、部署和重新部署;

充当操作人员的工具，而不是替代人工操作的设备;

公司能够控制自己的自动化流程。

虽然优傲机器人公司生产的协作机器人有时可以部署在全自动化环境中，但它们的主要作用仍然是协同使用，协作机器人和操作人员共同完成所分配的任务。

3、优傲机器人的定义

“优傲机器人”的名字来自于捷克劇作家卡里洛·奇別克的科幻剧本《罗萨姆万能机器人制造公司》。在“优傲机器人”看来，我们将其定义为：“能够使那些不同国家、不同行业和不同工作的人员以不同的预算和编程技能实现不同流程的自动化的机器人。这一术语有助于解释优傲机器人在行业中的独特作用以及公司与工业4.0的关系等更多信息。

四、协作机器人在工业4.0中的关键作用

1、工业4.0蓄势待发

作为一种设备，大多数协作机器人包括来自优傲机器人公司的协作机器人都完全符合工业4.0设计原则。它们配备强大的工业用计算机，可以在任何工厂环境中互通互联，并且可以轻松接入物联网（IoT）。协作机器人通过收集数据并将其传递给其他系统进行分析、建模等，提高信息透明度。尽管协作机器人更多作为操作人员的工具使用，而不是作为自我主动的设备，但是它们仍然能够促进分散化决策。

另外，协作机器人是经典的工业4.0产品，它们是通过软件升级及其自身可编程性來实现不断进化的数字产品。它们甚至支持数字化商业模式，如Hirebotics可以提供按小时租赁协作机器人服务。

2、自动化的大众化发展

除固有的与工业4.0兼容性，协作机器人为那些可能无法负担传统工业机器人的公司实现自动化生产流程提供了重要助力。由于它们具有多功能性、易于编程、体积小、重量轻且价格合理的特点，协作机器人正在广泛应用于中小型企业以及发展中国家。

协助机器人的其他特点，如多功能性、用户友好性、占地空间小和可负担性等也使得它们非常适用于未实现自动化的生产过程中。协作机器人能够实现机器人自动化的全面发展，帮助全球各地的公司加入到最新的自动化浪潮中，即使他们还没有为工业4.0做好准备。

3.需要“黑灯”工厂吗

理论上工业4.0的最终目标是“黑灯（Lights out）”工厂，这种工厂是完全自动化的，不需要现场人员。现在，有几家工厂非常接近这个理想范围，其中包括荷兰的飞利浦工厂，完全自动化地生产电动剃须刀，只在生产过程结束时安排9名质检专员。

有趣的是，当协作机器人部署在先进的工业4.0环境中时，通常适合布置在需要人类工人的位置，如返修工作站。这是因为协作机器人不仅可以接收来自其他物联网设备和系统的指令，还可以在人工操作的帮助下，为其他设备和系统提供来自于操作人员观測的输入信息和一次性更改请求等。

4、显而易见却避而不谈的事实

尽管协作机器人与上文讨论的工业4.0之间存在契合点，但仍然存在一些显而易见却避而不谈的事实。尽管“工业4.0”的最终目的是无人工厂，但协作机器人仍与工厂内特定位置的人类工人一起工作。工业4.0环境中并没有工厂工人的工作空间，而工厂工人对于协作机器人的部署和成功使用至关重要。在下文的“协作机器人所体现的工业4.0”一节中，我们将研究这个问题，重点突出协作机器人有能力完成的那些工业4.0无法实现的领域，而且我们希望揭示工业4.0的理念中易被忽视的一些限制。

五、协作机器人所体现的工业4.0

1、工人所体现的价值

工人的价值是什么？从工业4.O的角度来看，工人所体现的价值不大。而如果“工厂工人”被定义为“每天长时间执行同样的不需要动脑筋的、重复、繁重甚至危险的体力劳动的人”，那么他们可能是被机器人替代的最好的群体。然而，在优傲机器人，我们仍然相信工厂工人具有各种各样的技能、洞察力和增值能力，而这些能力是机器人可能永远无法替代的，无论它们是或可能变得多么复杂。机器人（包括协作机器人）在变通性上与人类确实还有差异，机器人遵循指示并生成数据，它们没有工艺知识、客户知识、经验或富有经验的判断力和创造力。因此，人类工人和机器人相互协作能做的事情远远多于只是用机器人替代人类工人能做的事情。（参见下文“从大规模定制到个性化”）。

2、协作机器人使工厂能够将生产流程所有权和知识保留在工厂内部

工业4.0的另一个限制涉及生产流程的所有权和管理它们所需的知识。自动化系统通常由外部顾问公司进行设计、监控和管理。然而，当公司选择生产基地时，生产工艺知识的可用性以及市场的邻近性正在取代低成本劳动力成为更主要的依据。

当一家公司将自动化系统的管理外包给外部公司时，这不仅需要花费时间和金钱，而且更重要的是切断了现在工厂中所需要的人员知识和市场信息。由于协作机器人的编程、配置和控制在工厂内部经由本地化完成，所以选擇协作机器人方案的公司可以保留完整自动化生产流程的所有权以及管理机器人所需的宝贵知识。这将为用户带来更大的运营灵活性和机动性，并在世界市场上具有更大的竞争力。

3、从大规模定制到个性化

工业4.0核心的互联网为大众定制化产品带来了新的发展趋势。大规模定制具有一定的优势，但市场研究显示，消费者的个性化需求越来越多。对消费者而言，他们非常渴望那些“能让消费者表达自己的个性化”的产品、服务和人性化用户体验。为了实现这些，不仅需要大规模定制，个性化生产也不可或缺。我们看到了与此相关的发展趋势，其中产品和服务的个性化得以加速发展，而且我们相信，未来的“工业5.0”将更加侧重于将人性化用户体验重新投入到产品中。

六、未来注重合作性

机器人自动化的发展趋势不可逆转，然而值得强调的是，协作机器人的本质仍然是“协作”。协作机器人的设计目的是与“人”（也就是操作者）合作，而不是以工业4.0描述的方式避开人工操作者。尽管工业4.0的概念并未完全反对“人”的参与，但是在某种程度上把协作机器人排除在了框架之外。在优傲看来，这种差异体现在对于“协作机器人”中“人”的价值的理解，暴露了工业4.0概念存在着一些明显的局限性，协作机器人至少指出了可以超越工业4.0范围的某些技术和可能性。优傲机器人目前倾向于称其为“工业5.0”。