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机器人的崛起

14 五月 2018 | Chris Pickering

先进的机器人与新技术被一同迎进汽车制造业。Chris Pickering报道。

Comau Open Gate Alfa Romeo Cassino

汽车业正处在一个十字路口。前方等待我们的是最为震撼的创新之举,颠覆了电气化、自动化驾驶以及轻质材料带来的机遇,及其不确定性。目前汽车业对机器人的需求已经增长到三倍,机器人技术与新的操作正在引起一轮制造业革命。

变革的时代就要求制造业更加注重灵活性,正如ABB产品管理主任Hui Zhang所说:“大多数汽车公司都愿意从内燃机向电动车的转变,因此现在的少量电动车生产会在2030年达到总体80%的比例。生产厂需要提高灵活性,才能应付年年都有变动的平台。”

Kuka公司汽车业能力中心主任Johann Haertl还出,市场不稳定就需要更高的能力,用少量的生产就实现盈利。他说,“这种挑战在省际,需要更多的变体车型。而且,产品所需车型数量会不断变化。其中一个原因是汽车业的客户定制程度越来越高。因此,我们的目标就是让我们的生产多面化,联网整个流程,焦点多放在整体系统上,少放在个别组件上。”

当然,要变得不仅仅是理念。汽车和电池需要新的材料,不同的工艺,以及负载调整。而且,电动车和无人驾驶汽车需要管理系统有能力解决电气化问题,其重要性不断提高。车体结构需要使用更多的轻质高强度材料。

机器人小型化趋势

Most suppliers agree that small and medium size applications will see the biggest increase in automation

大多数供应商都认为中小型机械在汽车业中的发展速度最快

这些趋势对机器人的影响也很大。比如汽车车体修理厂,过去比较依赖电焊,但是现在越来越多地使用复合材料和粘合剂。

Zhang表示,“对焊接而言,机器人需要举起100公斤重的焊枪,而且需要更快地完成短距离操作。你可能需要在一个有限的空间里安排六个以上机器人工作。但是如果主要的接合技术是粘合剂,那么整个要求就变了。你只需要稳步地遵循规定黏胶路径,完成接合。”

大型的机器人主要用于装卸整个车体,到目前为止大有占据市场半壁江山的趋势。但是大部分供应商都认为,小型和中型汽车的增长趋势最为明显。拣货和放货操作可能是增长最大的一个领域(比如,将装备搜集起来然后就有汽车走下生产线)。这些轻型应用主要是小型零部件,直至元部件,这里就需要小型灵巧性机器人。说得更确切一些,他们需要能和人类近距离工作的机器人。

协作机器人的崛起
协作机器人可能算是现代机器人发展中最显著的趋势了。目前,协作机器人占到全球市场的3%,但是最近Loup Ventures和International Federation ofRobots(IFR)的一项研究表明,这个数据会在2025年的时候上升到34%。Haertl表示:“在未来的五至十年里,很多机器人研究都会聚焦人机协作。”

协作机器人专家Universal Robots公司的Mark Gray也认为:“还有很多流程并没有实现自动化,因为成本、安全或专家等原因。随着机械更新换代,这个情况也发生了变化。”

关键的问题还是安全性。大多数协作机器人并不是为了与人类互动而设计,只是为了在相同环境中更加安全地操作。它们非常依赖传感技术,以此来探测潜在的碰撞,并且还要在力度、速度和负载上符合ISO认证规定。协作机器人的应用还是倾向于小范围。比如Universal Robots目前的产品就是3公斤到10公斤 — 足以应付密封剂枪或扳手,但是相对来说还是轻型作业。

重型协作机器人虽然是少数,但是仍然存在。比如Comau就拥有170公斤负载的协作机器人。该机器人拥有传感器材质肌肤,以及很多其他安全性能,可以与人类共享工作空间。比如双模式操作,机器人如果探测到附近有人,就会减缓速度,如果探测到周围什么都没有,就会加速。很多人都预测,协作机器人会被部署完成最后装配,这个流程里还是需要人类,但实现自动化就会有很多好处。

Gray解释说,“你们可能遇到这种情况,就是有人装了很多零部件,然后用传动器或螺旋运输器人工操作。在这种情况下,人类仍然可以固定零部件,然后机器人负责转动和拧紧,然后人类再进行下一个任务。这样就能实现效率最大化了。”

与程序一致
很多协作机器人都具有指导功能,可以让机械从人类操作员示范中学习定位和移动。这是业内广泛的趋势,即变得更加简单,更加容易,Gray继续说道:“过去,机器人需要很多专门的编程知识。我们把这个流程转到机械师的手中,只要插入然后演示的流程就可以,前后大约需要25分钟。”

大众公司走在最前头,公司与总部在德累斯顿的新公司Wandelbots合作开发了一种传感夹克,可以捕捉移动路径。该夹克上安装了制动器,用于触觉反馈,可以让机器人学会特定工作所需要的运动。

智能方案
工厂的未来与目前的生产理念有些背道而驰。很多人在预测这些机器人的移动,以及行业多久才能接受这种生产理念上产生了分歧,但是基本概念似乎已经广泛得到接受。Comau Tobotics公司全球销售与营销部长Tobias Daniel说:“将来会从固定的生产线转向机器人,那样会使工厂生产更加灵活。”

有人认为可以完全打破固定的生产线,替之以自动导引车加上机器人。这可以是每辆车都按照制造流程运行,并且跟着特定制造规格设计。正如Zhang所说,“改变原来的运行模式有很多优点,但这里仍然还有很多挑战。固定的传送线更容易控制,因为整个生产线上都会有产距时间。如果你想要采用更加灵活的流程,就会有随时遇到有些无秩序的情况。”

很多人都认为,能够控制这种有可能处于混乱状况的方案就是智能工厂,它可以监控整个工作流。工厂以来软件和硬件,多种机器人联网,将功能合并。

Daniel证实说,“我们清楚地发现,整个趋势都倾向中央化控制系统。这种系统可以通过软件优化整个流程。比如说,如果你同时运作好几个机器人,那么这些机器人合作最有效的方法是什么?”

Comau公司是第一个彻底消除人类操控员的机器人制造商。该意大利公司现在与很多“自动化合作商”合作,开发第三方控制软件。似乎所有人都朝着这个方向思考。

Zhang经过观察发现,“在现在的工厂里,我们倾向使用很多微停工 — 维持大约30秒到1分钟。这个时间累积一年可能导致成本提高500万美元到1,000万美元。通过集中化信息,你可以分析这些停工,以及其他生产过程中的瓶颈。如果你能监控整个过程 — 可以通过云程序远程进行 — 这个系统就能做出智能决定,告诉你如何解决这种停工。”

预测性维护是智能工厂另一个核心理念,是由当地机器人控制员操作还是中央计算机操作。首先要观察到警示标志,才能知道到底是机器人工具还是零部件可能会导致操作失败。然而,智能机器人可能还能优化自己的流程,延缓推迟这种结果。

Daniel补充说,“机器人不再需要人类操作员的反馈,就能改进自己的程序。一旦这些机器人完成50次任务,就能进行改进,还能与其他机器人交流,提高效率和智能操作。举例来说,软件可以监控每个机器人的移动,查看是否出现可能减少能耗的不同工具路径。同样,如果目前的操作已经出现一个或两个装在车辆,系统就能找到其他路径,平衡装在操作。”

Many cobots come with a hand-guiding function, allowing the machine to learn positions and movements demonstrated by a human operator

很多协作机器人都有知道功能,可以让机械从人类操作员的演示中学习定位和移动

人的因素
虽然人们对机器人硬件和软件发展趋势都持有一致意见,但是对人员的因素却很含糊。大多数机器人制造商认为,随着我们逐步走向自动化,工作场地的所有人员还是留下来。比如Gray认为,很多机器人的设计就是在人类旁边工作:“很多人认为人即将会被机器人所替代,但实际上你是给工人们提供了更好的工具而已。消失的只是枯燥而重复性的劳动,这种劳动有损工人们的健康,比如重复性拉伤或腕管综合征。相反,你可以将工人们转移到一个流程中更高价值的任务上。”

理论上讲,这些“高价值任务”可能更具有激励性,很少出现身体损伤,而且待遇更高,另一种说法也叫双赢。然而,不是每个人都愿意相信。波士顿大学经济学家Pascual Restrepo最近做的研究认为,每个工业新机器人通常会消除6个劳动力岗位(尽管他也谈到这可能是劳动力再分配问题,而不是消除)。

最后就是如何平衡的问题了。Zhang说:“现在有一种趋势,就是机器人数量多了,而工人数量少了,但是我们认为机器人的聪明和灵活程度根本不足以完全替代人类。问题只是如何让工人和机器人完成他们最擅长的工作。我们已经发现,汽车车体修理厂的工人数量已经减少,但是在最后装配上 — 因为这里涉及很多线束和柔性材料 — 你就需要人类劳动。这也是人类和机器人合作愉快的典范。”

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