服务机器人技术的飞速发展

作者:Victoria Sonnenberg 文章来源:MM《现代制造》 点击数:371 发布时间:2019-08-15
早在第一台机器人在福特公司工作之前,我们的前辈们就虚构过惊险的冒险旅程或者被发射到地球轨道做着环球旅行故事。有关文献能够确认的是,只有在地球的另一端对工业机器人产生了浓厚的兴趣时,我们的先辈才算在工厂中实现了自己虚构的梦想。在征服了汽车工业之后,机器人又开始步入其他工业分支的征途,并在服务机器人技术的进化飞跃中开始直接为人类服务。
服务机器人技术的飞速发展

今年年初某德国新闻杂志刊登了一则引人注目的新闻:酒店机器人。这些机器人不是在酒店里跑来跑去的向客人问好,而是在帮客人办理入住手续,将客人沉重的行李送到房间并回答客人提出的各种问题。

2015年机器人酒店在日本开业时在媒体界引起了巨大轰动。奇怪的是,人们关注的是机器人连锁酒店是如何利用机器人这一最有效的方式来取代人类扮演的服务员这一角色的,因为那时的人们曾经相信机器人是会取代人类服务员的。据《华尔街日报》报道,现在243个机器人中有一半以上的因行为不当而被“停职”。例如,机器人大声的喊叫:“对不起,我没听明白。你能重复一下这个问题吗?”尽管酒店机器人有着光鲜的外表,但它们的行为无法令人满意,太多的未知数导致方程式无解。然而在机器人技术的早期,在机器人美学还必须服从机器人工程学工作的要求时,即使是最丰富的想象力也没有想到会有这样的结局。

图1 在过去的35年里机器人技术得到了迅猛的发展。今天的机器人已经可以完成许多复杂的任务了,这都要归功于ABB公司
图1 在过去的35年里机器人技术得到了迅猛的发展。今天的机器人已经可以完成许多复杂的任务了,这都要归功于ABB公司

虽然在20世纪的许多科幻小说类文学刊物中出现了许多奇形怪状的机器人,但工业机器人的奠基石仍然是美国发明家George C. Devol于1956年提交的编号为2988237的专利:用于物资运输的可编程机械手专利。也就是在1956年,Devol与Joseph F. Engelberger合作成立了世界上第一家机器人公司Unimation。1961年,福特公司就在美国Ewing Township的生产厂中用世界上的第一台工业机器人Unimate为铸铝机装卸原材料了。

1961年首次使用了工业机器人

工业机器人是可以通过编写控制程序或者利用传感器制导在规定范围内运动的自动工作机械。工业机器人的定义是:一种至少有三个编程自由度、并配备有夹具或者工具的操作装置。当1961年第一台工业机器人出现在工业生产应用中时,由于丰富的想象力认为它可以在任何场合和地方使用因此而引起了极大的轰动。然而它在生产车间中的应用并没有带来更多的热议、因为它在生产过程中的运动速度太慢了,直到几年之后日本人1968年大规模的开始使用机器人之后才逐步的得到了人们的认可。在获得Unimtion的专利授权之后不久日本的川崎重工就于1969年生产出了第一台名为Kawasaki Unimate工业机器人。这也成为其他工业发达国家认识到这种机械设备在工业领域中重要性的一个转折点。从那时起,工业机器人的研发和使用就开始进入腾飞阶段。1974年日本的机器人专家FANUC公司赶超上来了,开始在本国的生产厂中开发和使用机器人了。仅仅三年之后,FANUC公司就开始出口机器人了。

Unimtion公司昌盛时代最受欢迎的是液压驱动的机器人,从1975年开始盛行的是瑞典电气工程公司以Asea型机器人为代表的IRB 6第一代采用英特尔微处理器控制的全电力驱动机器人。1988年,Asea公司与瑞士Brown Boveri公司合并成为今天的ABB公司。这种微处理器控制的机器人可以实现五轴运动控制,最大起重力为6kg。设计师是Bj?rn Weichbrodt、Ove Kullborg、Bengt Nilsson和Herbert Kaufmann,由瑞典Asea公司制造。第一款型号IRB 6的工业机器人是1972~1973年间在Asea公司首席执行官Curt Nicolin主持下开发的,1973年8月展示亮相。1974年,瑞典Genarp市的Magnussons公司购买了第一台工业机器人用于90°直角不锈钢管的清洗和抛光。

电力驱动带来的新用途

IRB 6型工业机器人不仅在占地面积方面树立了机器人领域的新标准,而且也在运动速度和定位精度方面树立了新标准,也引来了一大批效仿者。而它采用的电力驱动技术还开辟了许多全新的应用领域,例如液压机器人不适合使用的电弧焊接领域。电弧焊接与点焊不同,直到1975年Asea公司在市场上推出IRB 60型焊接机器人之前,点焊机器人手中的点焊钳一直是液压驱动的点焊钳。IRB 6型机器人的大小基本相似,但新一代机器人的承载能力提高到了60kg。第一台IRB 60型机器人被瑞典的汽车生产厂家Saab公司购买回来之后用于汽车车身的点焊。

图2 美国福特汽车生产线上使用的Unimate机器人
图2 美国福特汽车生产线上使用的Unimate机器人

汽车工业领域中第一批工业机器人的也积累了丰富的实践经验,使人们也认识到了在其他工业领域中应用的潜力,例如在塑料加工行业中使用的潜力。1973年库卡公司研发生产的全球第一种有着六个电机驱动轴的六轴机器人新产品Famlus也被载入了机器人历史。专门为汽车工业研发和生产的Famulus工业机器人同时也成为机床设备制造业中使用的第一款库卡机器人。

简单危险环境中使用的机器人

最初的时候,工业机器人仅仅是被用来完成一些简单的重复劳动,但也有些企业在有危险的、对人体健康有害的工作场合中使用了工业机器人,例如提升和运输零部件或者其他物品。完成这些任务的机器人结构包括了一个机械臂、机械臂前端的夹持装置、一个能源动力单元和一套控制系统。机器人能够实现的运动取决于机器人的自由度数量。相比较,人手有着22个自由度,机器人仅仅只有六个自由度,就凭借这六个自由度机器人就能完成将物体从一个地方移动到另一个地方的运动了。

图3 1973年,库卡机器人公司推出了第一台带有六个电动机驱动的六轴工业机器人,开启了一个全新的机器人时代
图3 1973年,库卡机器人公司推出了第一台带有六个电动机驱动的六轴工业机器人,开启了一个全新的机器人时代

一般情况下,安装有夹持装置的机器人手臂均有伸缩功能,可以通过驱动装置改变机器人手臂的长度。机器人的夹持装置容易使人联想到人类的手掌,尽管初期的机器人手根本没有人类手掌的功能。第一个能够抓取物品的机器人手只有两个没有铰链连接的指状物,而现代的机器人手则已经配备了几根铰链连接的手指了。

机器人领域的快速发展要感谢医疗专业人员和机械技术人员之间的成功合作;是他们的密切合作促使了机器末端操作器——机器人手部的飞速发展。除此之外,还开发出了有触觉感的机器人手部。开始的时候,机器人的手指只能被“硬控制”,这也就是为什么机器人不能不受限制的处理表面比较粗糙、坚固物体的原因了。在机器人手指中集成了应变传感器之后就解决了大部分难题,机器人手指能够对夹持力产生的微小变形做出反应,向机器人控制系统发出信号,由机器人控制系统自动调整夹持力的大小。

技术的进步与发展,尤其是传感器和控制技术领域的进步与发展使工业机器人在很短的时间里变得更加灵活了,使它们具有自动根据产品品种的变化、根据使用环境的变化而自我调整的能力了。这种进步与发展最终导致了上世纪80年代的一场大变革,服务机器人的想法变得更加清晰具体了。霍伦霍夫IPA生产技术和自动化技术研究所的Dieter Schraft博士在1994年就将服务机器人定义为:服务机器人是一种可以自由编程的、可半自动、全自动的执行服务任务的移动设备。这里的服务不是工业产品生产过程中的服务,而是为人类和机构提供的服务。

家庭私用的和专业用的服务型机器人

服务型机器人凭借其强大的性能以创纪录的速度征服了家庭和公共领域中的用户。国际机器人联合会IFR的最新的世界机器人报告指出:专业用途的服务机器人销售额已经增加到了66亿美元。这部分机器人的销售总数量(2017年内)增加了85%。IFR协会预测的2018年至2021年间的销售收入累积约460亿美元。增长动力源于物流、医药和现场服务。2017年在69000个物流系统中安装使用了服务型机器人,比上一年增长了162%。

其中6700个无人驾驶运输系统用于生产环境,62200个用于非制造业。医用机器人也是服务型机器人中具有巨大增长潜力的机器人类型。最重要的应用就是机器人支持的外科手术、或者是帮助医生治疗患者和残疾人行动以及改善他们身体和认知功能的治疗机器人、康复机器人。在医院中,服务机器人也被用来自动运输货物。这就能够明显的降低医院的物流人员成本、降低错误交付的风险。

图4 S-2型机器人的历史可以追溯到日本FANUC公司成立海外合资公司GMF Robotics公司成立的时间
图4 S-2型机器人的历史可以追溯到日本FANUC公司成立海外合资公司GMF Robotics公司成立的时间

智能化和更加灵活的服务机器人

随着服务型机器人销售量的节节攀升,服务机器人越来越智能化,使用方法越来越多样化。有霍伦霍夫IPA研究所研究出来的服务型机器人已经被命名为Care-Obot,上市的产品已经是第四代了。Care-Obot是家庭环境中主动支持家庭住户的移动式机器人助手了。它是上世纪90年代研发的产品,当时的原型机由移动基础平台和可以旋转、摆动的触摸屏组成,具有与人类直接交流沟通的能力。它能安全可靠的在人群中穿梭运动,执行一些简单的运输任务。

它的继任者则聪明多了,能够完成的任务也多了,并能够承担智能助行器的任务。2015年的第三代Care-Obto已经成为互动管家了,它能够识别拾取常用的家具用品,在平板电脑的帮助下将其交给主人。第四代新版本的Care-Obot服务机器人则采用了模块化结构设计,比其老前辈们有着更高的使用灵活性和更高的性价比。这款服务机器人可以有或者没有手臂,根据具体配置可以设置成不同应用的机器人平台。据霍伦霍夫IPA研究所介绍,对于服务机器人来讲社交礼仪非常重要。Care-Obot 4型服务机器人头上的显示屏能够根据具体情况显示多种不同的表情。如果说过去的老型号服务机器人设计的像一个保守的管家,那么它的继任者则是一位有礼貌、态度友好和富有同情心的知心管家了。

服务机器人不仅赢得了机器人技术领域业内专家的好评,而且在私人应用领域中也成为很受欢迎的家庭保姆。它们能够修剪草坪,在房间里吸尘,清洁窗户,几乎完成了家庭主妇三分之二的任务。其他类型的服务机器人还有娱乐机器人和聊天机器人。

图5 外骨骼不会产生超人的力量,但会保护穿戴者完成一些有危险的运动
图5 外骨骼不会产生超人的力量,但会保护穿戴者完成一些有危险的运动

在服务机器人迅速发展的同时机器人技术领域也出现了一些非常重要的变化,标志着Cobo机器人的成熟。随着Cobo服务机器人的出现原来的安全保护围栏突然消失的不见踪影了,人与协作机器人“手拉手”的一起工作了。2018年12月丹麦供应商Linatex公司出售了第一台优敖公司研发生产的Cobo UR5型机器人。为了给企业中的CNC数控机床上料,Linatex公司做了一件至今难以想象的事情,没有按照工业标准的要求将机器人安装的安全保护的围栏之中,而是让它直接“站在”操作者身旁。Linatex公司没有让企业外部经验丰富的编程专家来编写机器人的控制程序,而是让一位没有编程经验的操作者在机器人触摸屏上编程。优敖公司将Coto UR5型机器人定义为工业自动化的全新参与者,为机器人技术领域开辟出了一片全新的天地,瞄准了过去因价格成本太高、使用操作太复杂而望“机”兴叹的中型企业。2013年库卡公司更新了全球第一台工业级轻型机器人LBR iiwa。1995年,LBR的I轻型机器人开始了在德国航天中心DLR机器人和机电一体化研究所的历史使命。与2000年推出的LBR II型机器人一样,它也是一个纯粹的科研系统。这两代轻型机器人研究所得到的经验都融入到2003年推出的第三代机器人LRB III型中了。

库卡公司获得了LRB III型机器人的许可授权

在德国航天中心DLR的研究的LBR III型机器人技术成熟之后于2004年将这一机器人的生产许可权授予了库卡机器人有限责任公司。在这一授权基础上,库卡公司开发了Kuka LBR 4(2008年)和Kuka LBR 4+(2010年)以及最后的Kuka LBR iiwa(2013年)。通过非常高敏感性的LBR iiwa机器人,使得机器人可以和人类一起合作、共同完成一些高敏感性的任务了。

为了能让机器人和操作者共享工作空间,就必须满足很高的安全要求,无论如何都要避免出现人身伤害事故。因此,MRK人机协作的四个基本原则被写进了EN ISO 10218标准“工业机器人安全要求”第一部分和第二部分,以及ISO/TS 15066标准“机器人和机器人设备-协作机器人”中。与安全有关的这四个基本原则是安全的静止状态监控(机器人停止运动,人员进入机器人的工作空间直至人员离开机器人工作空间)、手动控制(操作者用合适的方式引导、控制着机器人的运动)、速度和距离监控(由机器人避免自己的运动与人员发生接触)和功率及力度限制(将机器人作用人员身体的接触力限制在无害的水平上)。因此,贯彻落实MRK人机协作四大原则的开始总是风险评估。安全保护方案是多方面的,从传感器到敏感的皮肤都在保护之列。由于机器人只能控制自己的运动、不能控制向自己冲撞而来的运动,因此碰撞不是都能避免的。为了防止不可避免的碰撞带来严重的伤害,应将碰撞伤害降低到几乎不可察觉的程度。为此,机器人生产厂家们都非常严格的单独制定有效的安全保护方案。例如优敖公司就是通过对机器人各个运动轴驱动电机的检测来限制力的大小,FANUC公司则在其五种CR系列的协作机器人中用安装在机器人底座中的一个力-扭矩传感器来替代各个关节处的传感器了。

在2016年度的Automatic国际机器人博览会上Comau公司展示了自己开发的Aura(高级用途机器人手臂)的创新性解决方案。这种拐臂式机器人解决方案首次实现了高性能协作机器人与人类操作者之间的合作。凭借六个安全等级和模块化的方法,Aura拐臂机器人支持操作者执行手动操作任务,并且保证了人与机器人之间没有任何隔离物完全贴近机器人操作时的绝对安全。

Bosch公司按照类似的安全保护原理设计了被称之为Apas运动助手的协作机器人。凭借其传感皮肤,这种机器人能够自动的识别到正在走进的人类同事。在它的人类同事还没有碰到它之前,Apas协作机器人就会停止运动,完全不会相互接触。一旦它的人类同事远离了协作机器人,Apas机器人就会自动的恢复其原来的工作。谁认为协作机器人或者服务机器人已经达到了人与机之间的距离达到了最小的程度,那么机器人外骨骼就将是他的科学幻想了。其实,很长时间以来在工业领域中就已经有了可穿戴的机器人了。可以说,可穿戴的机器工作服主要是机动的肌肉和关节,它有助于工人的运动、帮助工人提升重物、帮助他们搬运和爬楼梯。外骨骼技术领域的专家、奥格斯堡市的Germen Bionic公司的专家经过6年时间的潜心研究终于在2018年年初开始了外骨骼产品的大批量生产。被命名为Cray X的可穿戴机器人是专门针对手工搬运物资、使用工具而设计的,在搬运重物时可以有效的减少腰背部承受的压力。虽然外骨骼和外关节不会产生强大的超人力量,但它却将人类的智慧与机械力有机的结合到一起了,有效的支持和帮助机器人工作服的穿戴者运动、降低与工作有关的事故、减少过度劳累引发的疾病。

可能的外骨骼应用范围

在无法通过机器人或者自动化来合理替代人类工作的地方都可以使用外骨骼。这些工作包括了工业企业中的生产过程,例如汽车工业中的生产过程,也包括了建筑、物流或者护理行业中繁重的体力劳动。

60年前几乎还没有人想象到的事情今天却在工业领域中有着异常迅猛的发展速度。机器人也越来越便宜,采用的技术也是越来越先进,也不断在为自己开辟了许多新的应用领域。虽然它们目前还不能分辨打鼾与真正的询价有什么区别,但无论是作为工业生产中的竞争工具还是作为技术服务领域中的有力帮手,或者是对人体工程学的支持方面,它们都证明了自己是有用之才。