協作機器人在車身車間的應用

徐蓓芬

摘 要：文章研究了協作機器人的引入背景及發展趨勢，并介紹了一種在車身車間內使用協作機器人來減少操作工的解決方案，由機器人負責涂膠，人負責檢查質量，從而產生高效的人機協作以及降低總成本。關鍵詞：協作機器人;人機協作中圖分類號：TP242.2? 文獻標識碼：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，此時的工業生產是以高密度的人員生產為主，后來伴隨著人力成本的上升，出現了產業轉移和自動化的轉變。

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

進入21世紀后伴隨著工業自動化、智能化的發展，人與機器人共同工作成為了可能，協作機器人應運而生。協作機器人，也可稱之為綠色機器人，是設計和人類在共同工作空間中有近距離互動的機器人，傳統的工業機器人是設計自動作業或是在有限的導引下作業，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，而這些都是協作式機器人需要考慮的機能，故協作機器人可以打破傳統工業機器人應用呆板的模式，實現更靈活和安全的人機協作的應用，這也給我們帶來了工業機器人應用的新思路。

1 現狀分析

1.1 傳統機器人的現狀

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

其次，傳統機器人無法達成中小企業的訴求。

如本文背景所述，傳統工業機器人的目標市場是可以進行大規模生產的企業，而中小企業主要以小批量、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，這些對傳統機器人來講較難實現。

最主要的是，傳統機器人適應不了新興的協作市場的需求。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，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、準確的特點來負責重復性的工作，如果二者要合作，以安全為本出發，人還要先通過安全門，確保人和機器人不進入同一空間內而發生接觸，這樣，整體的工作效率優勢并不明顯好于單獨使用人。由此，就產生了機器人要具有安全的人機協作特性的業務需求。

1.2 協作機器人的研發狀態

協作機器人無需嚴密的安全設施和復雜的控制監控系統，應用范圍靈活，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年推出了其首款協作機器人YuMi，目標市場為消費電子行業。YuMi在2015年4月在德國漢諾威工業博覽會上推向市場。同年，庫卡發布了協作機器人LBR iiwa，安川Motoman也發布了協作機器人產品Dexter Bot，緊接著，發那科的協作機器人也在2015年推出面世。

目前研發協作機器人的企業分成四類：

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

（2）傳統工業機器人巨頭，例如ABB、庫卡等。

（3）互聯網企業，比如谷歌、亞馬遜等，這些企業大都具備核心技術、業內資源、資本運作等優勢。

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

1.3 協作機器人的發展趨勢

從汽車行業來講，通過近50年的自動化發展，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作機器人的發展，想方設法去分解人類復雜勞動、應變操作及降低操作綜合難度，理想的狀態是“人”做綜合感知類質量判斷，而“機”做高質量及重復性要求的動作，達到人機協同工作的目的。

根據MIT研究人員在BMW工廠的一項研究，人類與協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內，總裝車間率先使用協作機器人，已經運用協作機器人的工廠有：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，協作機器人是“中國制造2025”和德國工業4.0共同關注的方向，也被譽為工業機器人2.0，機器人在汽車生產工人的身旁協同工作，機器人負責做，人負責檢查，從而產生極高效率的“人機協作”，這將是未來汽車生產減員增效的發展方向。

2 應用可行性

2.1 協作機器人的特點

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

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

考慮協作機器人的應用時，其具有容易上手、調試高效等特點，在示教軌跡時，人員僅需握住操作手柄引導機器人動作，記錄后機器人即刻自動按軌跡動作，比起傳統的機器人上手難、操作要求高，在爭分奪秒的生產線上更體現出快速調試及恢復的優勢。

2.2 車身車間的應用分析

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

使用傳統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備，一方面，必然可以節省車間場地、節省外圍設備投資以及降低電氣調試難度。另一方面，通過機器人與人的協作，可以優化人機工程，減少工作負荷，提高裝配質量，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較多或者較復雜的工藝操作，比如手持膠槍對零件進行涂膠的工位。

經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掉涂膠工作。所以，原有狀態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，如果可以有設備分擔掉后輪罩人工涂膠的工作并相應調整工位布局，即可以由2名操作工完成剩余的工作，實現減員2人/班。

3.2 協作機器人引入方案

如果使用傳統的工業機器人，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域與操作工隔絕開來，然而如圖2所示，現有自動工位布局已經占滿機器人，沒有空間安置這些額外的設備。

所以如圖3所示，最優的方案是通過在門檻板上料操作工身邊增加2臺協作機器人，無需增加工位防護即可實現后輪罩自動涂膠的工藝。此時2臺協作機器人已經承擔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掉后輪罩的上料工作，從而達到節省2名后輪罩操作工的目的。

此方案涉及的新增設備除了2臺協作機器人以外，僅有簡易的工裝涂膠臺，涉及的設備改造僅為人工涂膠槍用于協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

協作機器人的引入方案，相比引入傳統機器人，節省了工藝占地面積，節省了光柵等電氣安全輔件和自動涂膠照相的設備投資。

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

從人機協作的發展方向來看，協作機器人作為人機協作以及有限布局空間的工藝規劃新思路，可實現節省自動設備投資以及減員的目標，將減員增效的可能性想法化為實踐的可行性方案。車身車間此次引入協作機器人，拓展了其應用范圍，為車身車間的新技術、新設備、新工藝運用積累經驗，為協作機器人的試點奠定推廣應用的基礎。

4 總結與展望

隨著工業4.0的來臨，協作機器人在汽車生產工人的身旁協同工作，從而產生極高效率的“人機協作”，這將是未來汽車生產減員增效的發展方向。

本文創新的介紹了一種在車身車間內使用協作機器人來減少操作工的解決方案，由機器人負責涂膠，人負責檢查質量，從而產生高效的人機協作以及降低總成本。

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

參考文獻

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