機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)存在了幾十年的時(shí)間，但技術(shù)創(chuàng)新正在推動全新一輪的工廠自動化趨勢。對于那些曾經(jīng)負(fù)擔(dān)不起（或者不需要）工業(yè)機(jī)器人的小型企業(yè)而言，協(xié)作機(jī)器人和類似協(xié)作機(jī)器人大小的小型機(jī)器人的出現(xiàn)將有機(jī)會幫助他們把效率和生產(chǎn)力提高到一個(gè)新水平。

與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，協(xié)作機(jī)器人更小、更經(jīng)濟(jì)、更易編程，而且它們的靈活度也大幅提升。現(xiàn)代化的機(jī)器人可以滿足快速重新分配任務(wù)的需求，以執(zhí)行新任務(wù)或移動到工廠或者倉庫等不同區(qū)域。協(xié)作機(jī)器人可以配合工作人員進(jìn)行安全操作，特別適合執(zhí)行帶有危險(xiǎn)性或重復(fù)性的任務(wù)，也可以在需要極高精密性的任務(wù)中協(xié)助工作人員進(jìn)行操作。

因此，協(xié)作機(jī)器人能成為機(jī)器人行業(yè)增長最快的細(xì)分領(lǐng)域之一，也就不足為奇了。預(yù)計(jì)到 2026 年，全球協(xié)作機(jī)器人的年出貨量將超過 47,000 臺，遠(yuǎn)高于 2021 年的 10,000 臺[1] ，增長率也將高于工業(yè)機(jī)器人的預(yù)期增長[2]。

為了進(jìn)一步優(yōu)化協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)以更好地滿足市場需求，TE Connectivity（泰科電子，以下簡稱“TE”） 長期專注于實(shí)現(xiàn)未來工廠自動化的關(guān)鍵趨勢，包括提高協(xié)作機(jī)器人的靈活性、降低總成本、增強(qiáng)其安全性和耐用性等。

協(xié)作機(jī)器人：一款可以執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)的機(jī)器

設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的目的是希望它在幾十年間可以重復(fù)執(zhí)行相同的任務(wù)，而一臺協(xié)作機(jī)器人則必須能夠適配多種任務(wù)類型。例如，一家公司可能會需要協(xié)作機(jī)器人能夠從簡單的拾取和放置任務(wù)，輕松過渡到協(xié)助對有更高精密度需求的機(jī)器進(jìn)行維護(hù)。

協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是，他們需要創(chuàng)造的機(jī)械臂不僅要能覆蓋不同任務(wù)所需的運(yùn)動范圍，同時(shí)還要控制成本。每次可能的移動都需要一個(gè)單獨(dú)的軸，每個(gè)軸都自帶一套電機(jī)、傳感器、電纜和連接器——這些都會導(dǎo)致成本的增加。出于這個(gè)原因，協(xié)作機(jī)器人制造商已經(jīng)形成共識，對柔性機(jī)器人采用標(biāo)準(zhǔn)的六軸設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)模擬了人類手臂的運(yùn)動范圍，使機(jī)械臂適用于大多數(shù)的協(xié)作任務(wù)。

然而，在這種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置中，設(shè)計(jì)者在選擇內(nèi)部組件時(shí)仍然需要想方設(shè)法在耐用性、靈敏度和成本間找到最好的平衡。例如，旋轉(zhuǎn)變壓器（測量旋轉(zhuǎn)角度的系統(tǒng)）成本低，具備很高的耐用性，但可能無法提供精細(xì)操作所需的精確度。而另一個(gè)極端情況是，光學(xué)編碼器可以提供更高的精確度，但容易損壞且價(jià)格昂貴。為了幫助更多客戶有機(jī)會使用協(xié)作機(jī)器人，TE提供了介于這兩種選擇之間的方案——磁性編碼器（Magnetic encoder）。它能提供比旋轉(zhuǎn)變壓器更高的精確度，但與光學(xué)編碼器相比，價(jià)格更便宜、且更耐用。

優(yōu)化工廠機(jī)器人確保操作人員的安全

按照定義，協(xié)作機(jī)器人需要與人類一起協(xié)作。它們的安裝無需使用安全籠，這樣既能降低安裝成本，并減少其在工廠或倉庫的占地。但是，這種結(jié)構(gòu)需要有其他的安全功能以確保操作人員的安全。

扭矩傳感器的進(jìn)步可使協(xié)作機(jī)器人更安全、更可靠。協(xié)作機(jī)器人機(jī)械臂的每個(gè)軸上會安裝扭矩傳感器，用于測量軸電機(jī)和變速箱內(nèi)的機(jī)械張力。我們可以通過編程將扭矩保持在特定閾值以下，這樣在出現(xiàn)可能的危險(xiǎn)之前，協(xié)作機(jī)器人就會自動關(guān)閉，避免操作人員受傷或協(xié)作機(jī)器人機(jī)械臂自身損壞的情況。

隨著協(xié)作機(jī)器人使用率的持續(xù)上升，我們預(yù)計(jì)其他安全功能（例如近距離傳感器和絕對位置傳感器）也會有進(jìn)一步的改進(jìn)。例如，可以通過使用一系列光學(xué)傳感器和壓力傳感器，在協(xié)作機(jī)器人周圍構(gòu)建一個(gè)隱形圍欄，一旦有人進(jìn)入?yún)f(xié)作機(jī)器人的工作空間則會觸發(fā)機(jī)器減速或立即停止。

確保在嚴(yán)苛環(huán)境下的可靠性

減少停機(jī)時(shí)間和降低維修費(fèi)用對控制協(xié)作機(jī)器人的成本至關(guān)重要，這也是設(shè)計(jì)者需要面臨的挑戰(zhàn)之一，因?yàn)閰f(xié)作機(jī)器人通常需要在對電子元件和移動部件并不友好的環(huán)境中工作。灰塵、濕度、油、熱、振動和電磁干擾在工廠和倉庫環(huán)境中十分常見。

因此，TE專門針對嚴(yán)苛環(huán)境設(shè)計(jì)了位置和角度傳感器等元件。不過設(shè)計(jì)者容易忽視另外一些對協(xié)作機(jī)器人保持可靠性至關(guān)重要的組件比如：電纜和連接器。

傳感器和電機(jī)等軸元件的電纜和連接器通常安裝在協(xié)作機(jī)器人機(jī)械臂的內(nèi)部。可即使有了這層保護(hù)，依舊有必要使用專門設(shè)計(jì)的工業(yè)級電纜組件。在實(shí)現(xiàn)每個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)所需的運(yùn)動范圍的同時(shí)，在機(jī)械臂執(zhí)行重復(fù)任務(wù)時(shí)能避免任何不必要的移動。

當(dāng)任務(wù)涉及協(xié)調(diào)臂端工具和傳感之間的變化時(shí)，連接變得更加棘手。任務(wù)之間的切換通常需要在協(xié)作機(jī)器人機(jī)械臂末端安裝一套新的工具，包括夾子、傳感器、攝像頭和燈。除了協(xié)作機(jī)器人機(jī)械臂保護(hù)之外，這里面的每一個(gè)元件都需要電源和數(shù)據(jù)的連接。

由于適應(yīng)性是協(xié)作機(jī)器人的主要優(yōu)勢之一，所以我們致力于在保證功能的前提下幫助設(shè)計(jì)者降低布線和連接的復(fù)雜性。我們正在開發(fā)將電源和數(shù)據(jù)連接結(jié)合在單根電纜中的解決方案，例如單對以太網(wǎng) (SPE)。這樣的單根電纜就能夠?yàn)槿魏伪鄱送鈬O(shè)備提供足夠的功率和數(shù)據(jù)傳輸速率。

助力未來工廠架構(gòu)

就在幾年前，協(xié)作機(jī)器人還處于應(yīng)用不成熟，或者價(jià)格過高的困局中，而現(xiàn)在它們的興起已經(jīng)將自動化水平提升到了新高度。協(xié)作機(jī)器人不斷代替人工執(zhí)行更多任務(wù)，同時(shí)還能幫助制造商優(yōu)化生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)更高的效率和靈活性。

未來我們將看到：模塊單元配置化的制造車間，每個(gè)單元都可實(shí)現(xiàn)在離散任務(wù)或定制流程之間切換的靈活性。此外，無線連接技術(shù)的進(jìn)步將幫助工廠監(jiān)控和分析其中每個(gè)半自動單元的生產(chǎn)情況。與此同時(shí)，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展也將助力協(xié)作機(jī)器人更快地學(xué)習(xí)新任務(wù)。

工廠自動化水平的提升可滿足制造商在速度、效率和定制等方面不斷增長的需求，同時(shí)也能幫助制造商應(yīng)對包括勞動力持續(xù)短缺在內(nèi)的其他挑戰(zhàn)。雖然從半自動生產(chǎn)到完全自動化的發(fā)展仍然需要一定的時(shí)間，但協(xié)作機(jī)器人與無縫連接及增強(qiáng)智能技術(shù)的結(jié)合將是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必經(jīng)之路。

審核編輯 ：李倩