协作机器人以人为本

远离硅谷，远离这个亚洲电子中心的世界，一家充满灵魂的小型初创公司正在掀起波澜。在伊利湖的东端，一家由丹麦移民创办的公司正在布法罗市中心制造移动电脑。

在Bak USA，五名技术人员坐在半月形的工作台前，从零开始制造笔记本电脑和平板电脑。就在一臂之遥的地方，一个携带螺丝起子的机器人正在配合组装。你有一个3年的初创公司，有100名员工和一个机器人。几率有多大?随着人-机器人协作(HRC)的出现，它们正在增长。中小企业也注意到了这一点。

我们马上意识到这家公司不是一般的公司。贝克一家有着独特的眼光。让地球上的每一个人都能接触到移动技术。而雄心勃勃的。但这家初创公司正在一个社区一个社区地规划道路，并以千禧一代品牌的社会责任为出发点。加上一些重量级的合作伙伴，包括微软、英特尔和Esri。

在纽约州布法罗市的一家消费电子初创公司，技术人员和一个双臂机器人合作制造电脑。(由Bak USA提供)

Bak USA致力于高质量和经济实惠，为K-12教室生产二合一笔记本电脑，相信每个学生都有权获得高科技学习机会。他们还为日常工人生产坚固的药片，无论他们是在工厂里，在建筑工地，还是我们的军人。

一直以来，Bak USA都坚信要照顾好自己的“工人阶级”。以人为本的商业模式意味着他们永远把员工放在第一位。

那么，一家非传统的公司会做些什么来颠覆现状呢?他们领养了一个机器人。这不仅是他们的第一个机器人，也是他们在生产车间的第一个真正的自动化产品。而且不是普通的机器人。脱离安全“牢笼”的机器人通常与传统工业机器人有关。颠覆性技术的两倍。

Cobot运动
这是Bak USA的一个新领域。他们总是以人为本。现在他们正在引入一个机器人。事实证明，他们在发射计划上得到了一些帮助。

布法罗制造工厂由EWI运营，是一个由纽约州发展倡议建立的工程咨询组织。Bak USA将他们带到了公司，帮助初创公司评估开箱即用解决方案的生产流程。

天啊，他们真的打破了常规。

“没有什么是不可能的，”Bak USA高级制造主管马特·马洛伊说。“我们从AMR (自主移动机器人)来驱动部件，再到在建筑物内飞行的无人机，将部件空投下来。”

布法罗制造工厂(Buffalo Manufacturing Works)提出了协作机器人(cobot)的概念。

“我们把我们做的每一件事都作为一个企业来考虑，然后想，我们能在哪里产生最大的影响?马洛伊说。“我们有一个领导团队，他们非常喜欢说我们是这个行业的新人，我们想要产生影响，我们想要为每个在这里工作的人做正确的事，我们想让人们的工作令人兴奋、有趣和舒适，所以我们愿意探索。这是一家公司在技术和社交方面非常强大的优势。”

Bak USA的社会使命是他们所做的一切的背后。他们希望将技术人员从一项具有人体工程学挑战性的任务中解脱出来，同时提高生产效率，以便继续为年轻的头脑和劳动力生产高质量、负担得起的电子产品。

马洛伊解释说:“如果你能想象一整天都在使用移动设备大小的微型螺钉，试着用你的指尖握住它们，把它们放在螺丝刀的尖端，然后把它们放进去，得到正确的扭矩。这是整个过程中很困难的一部分。”

Kawasaki duAro双臂SCARA机器人被用于减轻负载。经过几个月的测试，该系统现已全面投入生产。

生产过程中，技术人员围成半圆形坐在机器人周围。每个技术人员从头到尾都在自己的工作站内建立一个计算机设备。当设备准备好安装螺丝时，技术人员启动一个快速流程，将设备转移到机器人上。机器人将螺钉插入并插入，然后将设备送回技术人员那里进行额外的组装(如果需要的话)。

由于在任何给定的时间都可能有五个技术人员为机器人提供设备，如果机器人正忙着在一个设备上安装螺丝，另一个设备就会等待轮到它的提示。与此同时，技术人员可以制造下一个设备。

双臂合作机器人的每只手臂上都装有一个视觉摄像头和一个扭矩反馈电动螺丝刀。机器视觉用于确认装配中螺钉的位置。它还有助于确定用于不同设备的螺钉大小。螺杆给料机将螺杆送至机器人。

一个双臂SCARA机器人配备了一个螺丝刀和一个视觉摄像头在每一个手臂上，通过插入和驱动螺丝到计算机组件协助技术人员生产。(由Bak USA提供)

虽然机器人做同样的操作肯定比人类快，但马洛伊说这不是关键的考虑因素。

“更重要的是，它取消了制造设备的任何人都不想做的一步。”

Bak USA研究了其他协作机器人系统。他们选择duAro机器人的原因包括其精度、小巧的外形和固有的安全性。

“duAro很适合，因为它的移动方式很好。它是一个双臂合作机器人，这让它非常漂亮，”马洛伊说。“你可以同时在两台设备上工作，也可以以不同的方式运行。系统的控制，传感器和反馈都很好。系统本身是有衬垫的，所以即使它撞到你，它也像一个垫子打你。”

以人为本，安全第一
duAro机器人采用了协调设计ISO 10218和ANSI/RIA 15.06机器人安全标准位于密歇根州威克瑟姆市的川崎机器人(美国)公司的产品和先进工程总监萨米尔·帕特尔说。

帕特尔解释说:“为了达到最高水平的安全，川崎公司有一个名为Cubic-S的硬件和软件包，它可以监控每个手臂的工作空间和速度。”

据帕特尔介绍，低于80瓦的低功率电机，加上软垫车身和速度、力和工作区监控，使duAro能够安全地与人类合作。碰撞检测功能可以在不太可能发生的碰撞事件中立即停止机器人的运动。

Bak USA最初对安全性有顾虑，主要是因为技术的新鲜性。他们与外部公司合作，帮助评估安全性，并为员工提供培训课程。马洛伊说，他们可能在安全方面做得太过分了。

“目前，为了更加安全，我们在每个工作站前都安装了浅色窗帘。我们在每个工具后面都有安全垫，所以没有人可以靠近它，即使它是一个协作机器人。为了安全控制，我们有双重接触点，所以没有人可以用手挡道加载或卸载设备。”

如果有人或什么东西打破了光幕或触发了安全垫，机器人会立即停止。

马洛伊说:“布法罗制造工厂能够为我们开发这样一种系统，它可以快速重置。”“根据我的经验，每当连锁或这类事情被触发时，将其恢复到操作状态总是一个复杂的过程。在这里，他们花了很多心思让它安全、易于使用，并易于排除故障。”

易于使用是我们在合作机器人中经常听到的一个主题。对许多人来说，“教学”已经取代了编程。

容易教
Kawasaki为duAro提供了三种编程方案。通过引导教学功能，你可以抓住机器人的一只手臂，将它移动到想要的点，然后在编程平板上记录这个点。您可以对每个点重复这些步骤，以教授一个完整的路径。

第二种方法是使用Android平板电脑，通过无线连接duAro机器人控制器，在关节、底座或工具坐标上移动机器人。第三种方法是为高级用户编写复杂的应用程序。一台笔记本电脑可以连接到duAro控制器，使用川崎先进的基于文本的AS语言对机器人进行编程。

平板电脑用户界面为协作机器人编程提供了直观的触摸功能。(由川崎机器人(美国)公司提供)

在体验了引导式教学功能是多么直观之后，马洛伊说，他无法想象用教学挂件来教授机器人，这是大多数传统工业机器人的编程方式。

duAro的一个优点是，两个手臂可以被教导独立执行不同的任务，或者它们的动作可以协调一起执行任务。川崎的帕特尔提供了电子制造业常见的例子。

“在许多电子装配应用中，在装配前必须对母零件进行精确定位。使用duAro，一个手臂可以固定母部件，而另一个手臂进行装配应用，如螺钉紧固或粘接。”

臂也可以配合携带更大的负载，如印刷电路板。由于该机器人采用了同轴设计，两个手臂共用一个轴，即关节1，因此它们可以完全从机器人的前面旋转到后面。每只手臂可以处理2公斤的有效载荷。配合起来，他们可以携带4公斤的重量。Bak USA根据他们的生产要求独立或协调地使用双臂功能。

让你的员工为合作机器人做好准备
Bak USA成功采用协作机器人的原因是其员工的早期参与。在开始项目之前，他们让他们的技术团队参与进来。

马洛伊说:“我们与布法罗制造工厂密切合作，让他们与我们的技术人员合作，了解我们的工艺，了解什么可行，什么不可行。”“我们确实回答了一些典型的问题，比如为什么增加一个机器人，这对我的工作意味着什么?但我们在整个过程中让所有人都知道。

“我们有很多机会让他们参与进来，即使只是简单地让人们和机器人拍照。当它到达这里的时候，人们都很兴奋。他们第一天使用它的时候，人们就在问，下一个是什么时候?你甚至无法想象，当我们第一次看到这台机器运行时，人们脸上的笑容是怎样的。那五个人非常激动，因为他们是这台机器的主人。”

揭幕仪式确实是全公司的庆祝活动。看着它展开吧。

这个项目非常成功，Bak USA又订购了两个duAro机器人。

“它投产的第一天就超出了我们的预期，”马洛伊说。“然后我们很快就打破了内部记录。我们现在正在调试我们的第二个和第三个系统。”

Bak USA的规模在过去12个月里几乎翻了一番，增加了48个新工作岗位。这两个新增的机器人将增加使用该系统的技术人员的数量。

“我们的生产车间有更多的人。我们现在有足够的人手来运行这三个系统。我们还在招人。”

协同自动化的未来
至于未来，Bak USA计划花一些时间改进当前的系统。马洛伊说，他们从这个过程中学到了很多东西，特别是他们可以在系统中添加什么，或者改变什么，使它变得更好。

“刚开始的时候，我们只是用手。没有协同自动化。现在我们正在重新考虑如何设计我们的产品，以考虑到这些自动化功能的设计。”

您可能会惊讶于Bak USA的最大挑战之一。

“duAro非常好用。系统集成效果很好。”Malloy说。“但对我们来说，一些看起来更琐碎的事情，比如在螺丝刀移动时，努力保持螺丝刀末端的一个非常小的螺丝，被证明是最具挑战性的事情之一。”

但Bak USA学到的最大教训是什么呢?

“如今，所有人都在说，如果工作不在别处，那么它们将被机器人抢走。我们想要证明事实并非如此。我们希望向整个行业展示，这可以通过一种方式实现，既可以增加自动化，同时也可以创造就业机会，并创造良好的工作环境。我们学到的最积极的教训甚至不是技术，而是我们向自己证明了你可以做到这一点。”

像Bak USA这样的案例证明，它并不一定是全有或全无。自动化和人可以共存。人类和机器人可以安全地合作。不仅仅是同事，而是合作者。

协同自动化也进入了汽车总装领域，这是一个通常需要高度手工操作的领域。Esys自动化公司使用FANUC CR-35iA协作机器人(如图所示)，其有效载荷为35公斤，开发了一种协作机器人系统，可将聚氨酯应用于汽车后四分之一玻璃。

协同机器人将聚氨酯应用于汽车后四分之一玻璃上，无需操作者和机器人之间传统的安全防护，有效地节省了宝贵的地板空间。(由Esys Automation提供)

客户要求机器人聚氨酯应用的质量一致，但缺乏足够的地板空间，在操作员和机器人之间建立一个封闭的单元，采用传统的安全防护。Esys能够将占地面积减少一半，并创建一个操作员与协作机器人携手工作的流程。观察它的运行情况。

现在看看这些倒立的六轴协作机器人来自AUBO机器人与他们的人类同事在阀门测试生产线上并肩工作。人类和机器人可以共存，即使机器人是上下颠倒的。

这些六轴合作机器人，双臂SCARA，甚至更大的35公斤有效载荷机器人都是协作动力和力限制机器人(PFLRs)。这些类型的特种工业机器人在其速度和它们所能施加的力以及它们所能处理的有效载荷方面都有固有的限制。在大多数情况下，这些机器人可以近距离或直接与人类一起工作，而不需要安全围栏或其他外围安全设备。

然而，人机协作并不只适用于pflr。高载荷和高速机器人可以参与其中。你只需要跳出思维定势．

RIA关于协作机器人终端用户应用程序的新白皮书介绍了在各种各样的公司部署的几种类型的协作机器人应用程序。获取下载。

重型机器人，更多合作者
一家初创公司正在开发技术，使人类和高性能机器人更容易共存和合作。

位于马萨诸塞州剑桥市的Veo机器人公司的联合创始人兼工程副总裁Clara Vu说:“我们相信人类和机器人有很强的互补优势，通过让它们合作，可以取得很多成就。”“在整个制造过程中，人类的灵巧性、判断力和灵活性可以与机器人的力量、速度、精度和可重复性有效结合。

“电力和力限制机器人显然是重要的一步，但它们只解决了一部分问题，”伍说。“我们看到客户带着应用程序来找我们，例如，他们希望机器人能捡起一个很重的零件，并把它放在一个特定的位置，让工人对它进行操作。”

Vu认为，人们对这样一种系统的需求很大，它既能利用标准工业机器人不可思议的动力、速度和亚毫米精度，又能与人协作工作。Veo的联合创始人已经瞄准了这一需求。

这家初创公司成立于2016年，获得了西门子风险投资公司(现为next47)的种子资金。去年10月，他们从GV(前身为谷歌Ventures)和Lux Capital获得了1200万美元的A轮融资。

Veo试图通过帮助机器人更好地感知周围环境，并能够“理解”工作单元中正在发生的事情，来弥合人类和机器人之间的差距。观看Veo系统的演示一个人类协作应用的例子，一个高负载的工业机器人组装白色家电。

“例如，我们的系统与安装激光扫描仪并将其连接到功能安全单元的不同之处在于，我们的系统了解工作单元中发生的事情，了解机器人本身在做什么。我们正在进行3D操作，这使得系统更加灵活，能够在有人伸手时做出反应，而不是走进工作单元。”

软件用户界面截图，持续监控人机协作工作空间的安全操作。(由Veo机器人公司提供)

Veo的系统是一个软硬件结合的解决方案。Vu解释道。

“我们的系统硬件由定制的、安全评级的飞行时间(ToF)传感器组成，将数据发送到高性能的嵌入式计算机，该计算机运行我们的计算机视觉和机器人控制算法。计算机位于工作单元中，直接与机器人控制器通信。”

该系统设计用于与任何主要制造商的任何机器人一起工作。它将配备4个深度ToF摄像头，Veo希望它能覆盖大多数制造工作单元应用程序，但Vu表示，他们正在构建的系统可以配置多达8个摄像头，以适应更复杂的环境。

“我们的系统可以在现场跟踪机器人、工件和人员，并根据这些物体的位置知道情况是否安全。”

更重要的是，如果摄像头的视角因任何原因被遮挡，系统将默认为最安全的位置。该系统只允许机器人移动，如果它能确定机器人的移动是安全的。

Veo已经与许多合作伙伴展开合作，包括汽车制造商及其一级供应商。他们还在研究在材料处理、金属制造和家电制造等领域的应用，在这些领域，人类和机器人仍然倾向于分离。

“今天，当一个制造工程师设计一个流程时，他们会想这是一个手工流程还是一个自动化流程?伍说。“我们真正希望他们能够做的，也是我们看到的全面需求，是说这个过程的哪些元素应该由人来完成，哪些元素应该由机器人来完成。”

这是人与机器人合作的本质。应用各自的独特优势，并将它们结合在一起以实现最佳解决方案。协同机器人正在工厂车间以有趣的方式展现自己。

外骨骼背心
还有什么能比你戴在身上的机器人更具有协作性呢?外骨骼与人类的关系最为密切。超越这一协作水平的唯一设备是在体内工作的机器人医疗设备(RIA将在今年晚些时候涵盖手术机器人)。去年12月，我们探索了康复机器人领域外骨骼正在改变人们的生活。

现在我们来看看工业领域的外骨骼。福特汽车公司装配线上的工人正在穿上EksoVest，这是一种由加州里士满Ekso Bionics公司生产的上肢外骨骼。

你可能不会认为外骨骼是机器人，尤其是像EksoVest这样的无动力外骨骼。但全球的研究人员都在不断探索其他驱动方式，这些驱动方式通常更经济、更轻、更安全，是的，也没有动力。

ABI Research在其关于机器人外骨骼的报告中包括了无动力外骨骼，并预测到2025年该市场将达到18亿美元。工业外骨骼预计将代表一些最强劲的增长。

Ekso为工业领域生产无动力外骨骼，为康复应用生产动力外骨骼。Ekso为无动力外骨骼做了一个很好的例子，特别是在上半身支撑方面。

Ekso的用户体验经理克莱尔·坎宁安(Claire Cunningham)说:“从根本上说，外骨骼必须具有协作性，因为你把一个设备安装在人身上，如果它们不能一起工作来执行预定的任务，人就会拒绝这个设备。”

“我们希望补充和支持用户完成他们的任务，而不是阻碍他们，”她解释道。“尤其是EksoVest，它专为全天使用而设计。我们的员工每天8小时都穿着它在汽车生产线上工作，所以舒适度是最重要的。这是一个非常艰巨的挑战，要把力量打入人体，同时让它感到舒适。”

EksoVest的设计目的是提升和支撑工人的手臂，以协助从胸部高度到头顶工作的任务。背心的重量不到5公斤，但你感觉不到增加的重量，因为它分布在身体的不同部位。每只手臂可承重6.8公斤。

当工人进行重复的头顶工作时，外骨骼帮助支撑工人的上半身。(由福特汽车公司提供)

坎宁安说:“当你戴着它的时候，你不必去想它。”“臀部皮带将设备的大部分重量转移到用户的臀部和盆骨，它们可以承受这些负荷。此外，背包肩带和手臂袖口通道来自驱动器和弹簧系统的力量，然后转移到手臂在一个非常战略的方式。你可以把一个重达15磅(6.8公斤)的工具拿在手里，而且它可以支撑一整天。”

可穿戴Co-Robotics
埃克索很快指出，他们的背心不是一种提带辅助装置。它并不是要给你超人的力量，这是人们对许多外骨骼的普遍误解。

坎宁安解释说:“这是一种马拉松式设备，而不是动力提升设备。”“这将提高你的耐力，几天后你会真正注意到好处。你会有更多的精力，你的手臂会不那么累，你会感觉更好。我们设计这款设备的目的是防止在工作场所经常出现的伤害，因为你整天都在上面工作。”

当你开始抬起你的手臂时，机械驱动器开始发挥作用，开始为你的手臂提供一点推力。应用范围包括任何类型的重复高空工作，如汽车装配线上的车身底板钻孔，或排气系统安装。该背心也可用于建筑环境中，工人进行架空管道和电气工作，工业油漆，声学面板天花板安装和工业砂光。

福特已经对EksoVest进行了不到一年的试验，并对该设备的所有不同迭代进行了beta测试。坎宁安表示，与福特的合作为外骨骼如何工作提供了有益的见解。看看福特的EksoVest吧．

“我们从福特和其他飞行员那里得到了反馈，并将其应用到设计更改中。现在我们正努力将这些背心分发到市场上。”

EksoVest可以个性化定制。软产品，包括臀部带，手臂袖口和背包带，有不同的尺寸。您还可以通过调整执行器内的弹簧来改变提供给用户的力的数量。

EksoVest项目的首席工程师Kevin Dacey解释道:“我们还可以独立调整驱动器。”“例如，如果有人在汽车线路上钻孔，他们可能一只手拿着钻头，另一只手通常在处理螺母和螺栓，所以他们可能希望司机的手臂上有更多的力，而另一只手臂上的力更小。”

很明显这个装置里有一些智能，但它纯粹是机械的。不像今天的工业机器人是机电机械，这些是被动设备。没有汽车。没有电。

达西说:“并非所有的外骨骼都必须由电力或电池供电。”“机械设计更实惠，更耐用。在工业领域，这些工人每天8小时穿着背心，每周5天。他们不想每天晚上都要记得充电。”

坎宁安解释说:“动员上肢所需的力量比动员下肢要少得多。”“我们的康复外骨骼是一种机电设备，需要巨大的扭矩才能让人从坐着站起来。对于上半身的外骨骼来说，机电动力几乎是多余的。”

机器人外骨骼仍然是一个新的前沿领域。坎宁安表示，该领域在不断发展。

“你会看到更多的机械外骨骼，因为它们更便宜。有了可负担性，就有了可获得性。机械外骨骼是日常生活的解决方案。我们设想在未来的10年里，每个家庭都会有一个外骨骼。你的diy爱好者可以在当地的五金店买到其中之一。在不久的将来，这种与机器人的合作关系将是一种机械关系。”

机械的，机电的，液压的，生物的。机器人有各种配置。就像我们一样。

队友
在机器人领域呆久了，你会开始有不同的看法。你看到了尝试和失败，挫折和成功，你的眼睛睁得大大的。你惊叹于进步，但也开始更清楚地理解前路充满挑战．

你会敏锐地意识到人类身体和精神的惊人能力。更令人惊讶的是，你会发现自己相信机器人帮助你欣赏人类每天都拥有并认为理所当然的真正独特的能力。我们的创造力、想象力、感知能力、灵活性，以及难以置信的同理心和批判性思维能力。

机器人如何竞争?他们不应该这么做。作为一个团队，我们更强大。

本文介绍的RIA成员:
AUBO机器人
Esys自动化
川崎机器人(美国)有限公司
Veo机器人公司