前ABB德國研究院首席研究員丁昊博士分享工業機器人協作應用及挑戰

最近這些年，隨著微處理器與各級安全認證的進步，工業機器人在安全功能上有了相當快速的發展。為此目前有了過去商業模式所不允許的能將機器人引入新的應用場景下的商業機會。為了減少對佔地面積和滿足傳統安全保護的需求，同時保持機器人自動化操作的高精度與靈活性等優點，機器人必須要在生產環境中與人類操作者在更近距離內工作。雖然目前人機協作（HRC）在工業生產中才剛剛進入實際應用，但相關領域內的專家已開始積極地開發高標準安全能力所需的感測器與處理器，以及工業機器人與機器人系統所需的標準化文件。

機器人大講堂在近期的咖啡廳講座中，邀請到了崧智智能（OrigiTech）聯合創始人、曾任ABB德國研究院首席研究員的丁昊博士為行業人士們分享了關於「工業機器人協作應用及挑戰」的內容。

丁昊博士簡介

丁昊博士是機器人與自動化協會人機協同及柔性製造技術委員會主席，工業機器人國際標準委員會成員，歐洲地平線項目、法國科學基金、義大利科學基金評審專家庫成員。曾任ABB德國研究院首席研究員，丁昊博士主持負責和參與開發過世界第一款真正的工業協作機器人YuMi，發表論文50餘篇，並獲得國際會議最佳論文獎多次。他主要研究的方向包括：未來智能機器人關鍵技術、人機協同與安全、工業控制、機器人運動控制、機器人裝配和零件組裝及智能製造（工業4.0）等。目前是崧智智能OrigiTech創始人和CEO。

在這次講座中，丁昊博士為我們分享了工業機器人和機器人安全標準的發展，並總結了四種基本類型的協同操作，該領域的開放性研究問題，以及對未來工業生產中人機協作的前景進行了展望。在德國學習生活了14年的他也與大家分享了他所認為的工業4.0。本文根據丁昊博士講座內容整理，歡迎大家在留言中分享你的心得體會。

為什麼要人機協作？

首先，丁昊博士談到了人機協作的好處。而選擇人機協作最主要的兩個原因，一方面是從自動化的程度，另一方面是從製造業範例的角度。

工業機器人的協作應用

關於工業機器人安全的演變，丁昊博士提到，協作或者說協同操作在國際標準里有一個非常明確的定義。而協作其實是應用。協作不僅僅只是針對機器人的本體，研究人員還需要考慮到機器人的感測器、夾具等。在做人機協作和風險評估的時候不僅要考慮到本體的問題，還要考慮其他一些問題比如：人的位置、人機是碰觸式的還是感測器能夠感知人的位置、或是用力、機器人本身是否有鋒利的夾具可能對人造成傷害。而觸碰又包括碰觸到人的身體、上半身、下半身。所以，協作的定義是應用，而不僅僅是本體本身。

工業機器人一般有兩種不同的模式，第一種是自動化模式，第二種是柔性化模式，而在工業協作里提到的協作都是在自動模式下的。

丁昊博士還簡單介紹了這幾個標準在各個地區和各個州的執行情況，並告訴大家「安全性」是一個趨勢。他認為人機協同的安全性尤其會在國內漸漸地被推行。而針對機器人的控制器，任何一種協同的方式，機器人的控制器必須是具有安全等級的。如果沒有安全等級，與機器人的匹配將是不正確的。

人機協作的類型包括安全級監控停止、手動引導、速度與距離監控、功率和力的限制。丁昊博士也對此分別進行了舉例說明。

提到Yumi機器人的低負載，他說：Yumi 以500g的負載和1.5米/秒的速度撞人，不會對人造成傷害。在設計過程中，研究人員也考慮到如何不會夾到人的手指，這是Yumi的突出特點也是它造型的原因。

挑戰

關於工業機器人協作應用，丁昊博士提到了幾點挑戰。第一個挑戰：控制器的功能安全。關於控制器的功能安全，下面是一張風險評估圖，目的是評估控制器到底應該達到何種安全標準，這主要包括三個方面：傷害程度、暴露時間、避免的可能性。

丁昊博士提到，在設計Yumi或者輕型機器人本體的時候會讓機器人來碰人，這時研究人員發現它本身對人的傷害並不大，並且是可逆的。「當人與機器是肩並肩的工作，就相當於天天暴露，在這種情況下就不需要用到功能安全等級PLd。在允許的情況下，在機器結構設計上已經很安全的情況下，控制器不一定非得達到PLd，用PLc或PLb就可以，但是需要證明撞到人的時候是可逆的。這是第一個挑戰，控制器功能安全。」

第二個挑戰：生物力學的限制準則。撞到人怎樣算安全和撞傷，也有一定標準。丁昊博士也在持續性的做這方面的研究。碰撞基本有兩種類型，第一種是短暫型的碰撞，比如把人撞飛了。第二種是擠壓型的碰撞，比如人被擠到牆上。第一種情況是能量的轉變，第二種情況改變的是力或者壓強。人們希望預防碰撞，這也是一些外感測器會應用在機器人協作中的原因，而碰撞檢測設備也是必須的。

第三個挑戰：人因工程學。下圖左邊是Yumi的原型機，它旁邊的操作人員面帶笑容。右圖中是很早之前的研究，為的是使工廠里有壓力的工人表現得更好。丁昊博士說，雖然工廠中是全自動化的產線，但如果工人對工作是熱愛的，那麼這個產線的產能會比指示類的工作產能更好。所以，人因工程學是在做人機協作/協同的時候，必須考慮的因素。

第四個挑戰：力控+位置控制。無論是在裝配還是打磨的過程中，所有的機器人正越來越多的與環境進行碰撞。研究人員發現原來機器人本身能做到的基於位置的控制已經遠遠不夠。例如，在裝配的過程中，機器人經常會跟物體發生碰撞，這時人們會自然而然的用到一些完全控制的東西，而這屬於力控和位置混合的控制。如果人們不能把過程做得平緩，就會造成機器人在被觸碰後的不穩定性。當人們用傳統機器人不加力控，只是位置控制時，除了調試時間長，而且調出來的結果也不一定會穩定。

丁昊博士還談到了基於電流環來做力的估算的原因。物流分揀、裝配等是機器換人的幾大行業，而基於電流環具有非常大的價值。丁昊博士說：小型機器人、傳統工業機器人也可以像Yumi一樣基於電流環進行裝配，但如何將摩擦力建模建好，卻是非常有挑戰的。工業輕量的傳統的小機器人摩擦力分為靜摩擦力和動摩擦力。動摩擦力模型的建立較為容易，但靜摩擦力的建模相對較難，如果建模不好，會造成小機器人在最開始運動時抖動，如果這個問題被解決，將會帶來非常大的市場。按照小編的理解，我們不一定要效仿庫卡或優傲在一些時候添加力感測器，而要考慮到市場的需要和推廣，市場需要指的是我們在對靜摩擦力有一定的認知後，在必要的地方加感測器，甚至加一個低成本的感測器。而只要把模型建好，加一個低成本的感測器或許就可以達庫卡和優傲的水平。

第五個挑戰：多人多機協作。丁昊博士說，在自動化產線上只安排一個人機協同的位置是不夠的，這涉及到人和機器人分別負責什麼。包括李德毅院士也提到機器人換人並不是一次將一條產線上的十幾個人都換掉，而是根據一定規則一步一步的換。

第六個挑戰：易用性。如果一個機器人可以讓一個小女孩快速上手操作，那麼它的使用市場將會變得越來越大。無論是基於圖形化編程的方式、基於命令行編程的方式，還是基於電流環的互動或是基於力的互動，只要把機器人的使用門檻降低，就會容易找到。這也是在市場角度客戶的痛點，把機器人的使用門檻降低其實具有非常大的市場，丁昊博士說。

願景

除了工業機器人協作應用的挑戰，丁昊博士也提到了願景，包括三個方面：社會的接受度、增強現實以及人機共融。其中，人機共融還具有道德規範和法律規範方面的挑戰。當機器與人之間的距離越來越近，人們就會考慮到這個問題。丁昊博士覺得AI技術其實並不可怕，例如在做控制時，用控制的演算法可以保證機器本身的收斂性，用AI技術和數據的技術可以讓收斂速度變快，而用機器學習又可以完成很多。但如何保證其可靠性，這是製造業最大的挑戰！

關於崧智智能OrigiTech

提到崧智智能，用丁昊博士的話說：崧智智能希望能夠開啟嶄新的工業未來，希望打造工業製造的大腦，拉進人與機器之間的距離，改變工業製造的思維模式。丁昊博士說，工業4.0和工業上的物聯網與人們用身份證去做實名制很像，把所有的設備都實名制化，在丁昊博士看來就是工業4.0的第一步。而崧智做的很多事情都是希望改變傳統工業製造的思維模式。

崧智將自己的價值與客戶的價值划上了等號。客戶的價值包括，第一，易用性。就像iPhone總是給客戶提供簡單的界面，而它自己承擔背後的複雜。崧智也將承擔工業製造背後的複雜，給客戶提供簡單易用的東西。

第二，協同，前面提到，人與機器之間的距離會被拉得越來越近。關於「無人工廠是最終態還是人機協同是最終態」以及「是不是一定要做到人機協同？」這兩個問題，不管最終態是何種，協同這件事情是必須要做的，也是跨不過去的。

第三，數字化。丁昊博士說：SAP、ERP、雲不是崧智要解決的。所謂數字化的金字塔分四個層級，最底層是設備層，再往上是產線層，然後是ERP，再往上是雲。數據傳輸有兩個挑戰，一是帶寬永遠是有限的，如何把自己的數據變成智能的數據，需要懂設備、懂產線的人來實現，而不能一味的依靠系統來辨別。二是傳輸過程中自己的數據是不是能夠安全的傳輸，在丁昊博士看來這是兩個非常大的挑戰。

在講座中，丁昊博士也說了自己的小目標，而這個小目標聽起來並不小。在他看來，現在客戶最大的痛點還是易用性，操作難度大，安裝調試時間長，換線速度慢。如果能結合控制理論，結合建模，機器學習演算法，了解如何把數據變成智能數據，降低機器使用門檻，減少安裝調試時間，提高換線速度，那麼最終一天之內集成工業機器人和工業應用將成為可能。甚至在一天之內讓工廠自動化成為可能，而這是崧智智能的目標。崧智智能團隊有豐富的行業經驗。在丁昊博士看來落地這件事情比他前面提到的願景更為重要。他也希望與所有人一起開啟嶄新的工業未來！

在本次講座結束後，《機器人技術及應用》雜誌社執行主編王偉先生代表機器人大講堂為丁昊博士頒發了機器人大講堂榮譽證書

加入社群

機器人大講堂Rob社群開始招募啦！如果您正在從事或想要從事機器人行業、想要學習這一方向，都歡迎您加入我們共同探討機器人前沿科技。

在機器人大講堂公眾號對話框回復「交流群」獲取入群方式！

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！