协作机器人在车身车间的应用

徐蓓芬

摘 要：文章研究了协作机器人的引入背景及发展趋势，并介绍了一种在车身车间内使用协作机器人来减少操作工的解决方案，由机器人负责涂胶，人负责检查质量，从而产生高效的人机协作以及降低总成本。关键词：协作机器人;人机协作中图分类号：TP242.2  文献标识码：A  文章编号：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年亨利福特发明了世界上第一辆以汽油为动力的汽车，美国开始进入汽车时代。1908年，美国通用汽车公司成立，此时的工业生产是以高密度的人员生产为主，后来伴随着人力成本的上升，出现了产业转移和自动化的转变。

上世纪70～80年代出现了第一代工业机器人，因其具备从事简单重复劳动的能力，开始被广泛应用于汽车行业中，工业机器人一直以来都是以替代人类的简单重复劳动来实施的，实际上，是用机器人来替换人。

进入21世纪后伴随着工业自动化、智能化的发展，人与机器人共同工作成为了可能，协作机器人应运而生。协作机器人，也可称之为绿色机器人，是设计和人类在共同工作空间中有近距离互动的机器人，传统的工业机器人是设计自动作业或是在有限的导引下作业，因此不用考虑和人类近距离互动，其动作也不用考虑对于周围人类的安全保护，而这些都是协作式机器人需要考虑的机能，故协作机器人可以打破传统工业机器人应用呆板的模式，实现更灵活和安全的人机协作的应用，这也给我们带来了工业机器人应用的新思路。

1 现状分析

1.1 传统机器人的现状

首先，传统机器人部署成本较高。单独的普通工业机器人无法直接用于生产线上，一条可靠的自动化生产线需要很多外围设备支持，然而这些外围设备控制系统又由很多软硬件组成，投资成本较高，后续涉及生产线的更改，改动时间、难度以及费用都较高。

其次，传统机器人无法达成中小企业的诉求。

如本文背景所述，传统工业机器人的目标市场是可以进行大规模生产的企业，而中小企业主要以小批量、定制化及短周期为特征，这样就要求机器人具有较低的综合成本、快速部署及重部署的能力以及简单上手的使用方法，这些对传统机器人来讲较难实现。

最主要的是，传统机器人适应不了新兴的协作市场的需求。随着人力成本的上升，很多以前没有或很少使用机器人的行业，开始寻求机器人自动化的解决方案。比如要完成一项综合性的工作，由人类负责对柔性、触觉及灵活性要求比较高的工序，机器人则利用其快速、准确的特点来负责重复性的工作，如果二者要合作，以安全为本出发，人还要先通过安全门，确保人和机器人不进入同一空间内而发生接触，这样，整体的工作效率优势并不明显好于单独使用人。由此，就产生了机器人要具有安全的人机协作特性的业务需求。

1.2 协作机器人的研发状态

协作机器人无需严密的安全设施和复杂的控制监控系统，应用范围灵活，可以独立使用也可以辅助人类进行操作，从而更满足新兴的市场需求。

ABB在2014年推出了其首款协作机器人YuMi，目标市场为消费电子行业。YuMi在2015年4月在德国汉诺威工业博览会上推向市场。同年，库卡发布了协作机器人LBR iiwa，安川Motoman也发布了协作机器人产品Dexter Bot，紧接着，发那科的协作机器人也在2015年推出面世。

目前研发协作机器人的企业分成四类：

（1）拥有核心技术的创新型企业，例如丹麦Universal Robots的UR系列机器人和美国Rethink RoboTIcs的Baxter 和Sawyer协作机器人。

（2）传统工业机器人巨头，例如ABB、库卡等。

（3）互联网企业，比如谷歌、亚马逊等，这些企业大都具备核心技术、业内资源、资本运作等优势。

（4）国内自主品牌，现已有新松机器人、广州启帆、山思跃立、远荣机器人等为代表的自主品牌协作机器人。

1.3 协作机器人的发展趋势

从汽车行业来讲，通过近50年的自动化发展，机器人替换人的简单勞动已走到穷尽，后期减员增效的措施之一就是通过协作机器人的发展，想方设法去分解人类复杂劳动、应变操作及降低操作综合难度，理想的状态是“人”做综合感知类质量判断，而“机”做高质量及重复性要求的动作，达到人机协同工作的目的。

根据MIT研究人员在BMW工厂的一项研究，人类与协作机器人共同工作效率会比人或机器单独工作要高，而且能减少85%的工作空闲时间。

在国际范围的汽车行业内，总装车间率先使用协作机器人，已经运用协作机器人的工厂有：奥迪工厂、梅赛德斯-奔驰工厂及南卡罗莱纳州的宝马工厂等。

未来，协作机器人是“中国制造2025”和德国工业4.0共同关注的方向，也被誉为工业机器人2.0，机器人在汽车生产工人的身旁协同工作，机器人负责做，人负责检查，从而产生极高效率的“人机协作”，这将是未来汽车生产减员增效的发展方向。

2 应用可行性

2.1 协作机器人的特点

如图1所示，考虑协作机器人的布局规划时，可以使其与人员在同一个空间工作，而不用像传统的工业机器人一样使用安全围栏隔离开。

考虑协作机器人的安全性时，协作机器人由其本身的设备特性保证，一旦协作机器人与其周边的人员或物体发生触碰时，机器人将自动停止，不会发生人员受伤。

考虑协作机器人的应用时，其具有容易上手、调试高效等特点，在示教轨迹时，人员仅需握住操作手柄引导机器人动作，记录后机器人即刻自动按轨迹动作，比起传统的机器人上手难、操作要求高，在争分夺秒的生产线上更体现出快速调试及恢复的优势。

2.2 车身车间的应用分析

目前汽车行业，国内外各家汽车公司都有研究人机协作机器人的应用。车身车间主要承担的是焊接作业，人员劳动强度较大，技能要求高，工作时间长，流水线作业的线体上分布着大量的工业机器人，需要重点关注人机交互，确保人身安全。

使用传统机器人的线体必然要使用工位围栏物理隔绝或使用光栅等安全元件进行安全防护，如果有方法去除这些防护设备，一方面，必然可以节省车间场地、节省外围设备投资以及降低电气调试难度。另一方面，通過机器人与人的协作，可以优化人机工程，减少工作负荷，提高装配质量，最终达到减员增效的目的，对造车总投资又是进一步的降低。

3 方案设计

3.1 试点工位选取

首先，需要寻找一个由操作工与自动线体有交互的工位，并且操作人员本身需要承担较多或者较复杂的工艺操作，比如手持胶枪对零件进行涂胶的工位。

经过对车身车间的排查分析，在底板线体进行后轮罩涂胶上料的工位UB090具备试点的条件。如图2所示，该工位需要在线体两侧各配备一名操作工，先在工作台上对左右后轮罩进行涂胶，然后各自将左右后轮罩放到上料口。这2名操作工工作负荷较高，而邻近的UB070门槛板上料工位的操作工也没有富余的时间可以帮忙承担掉涂胶工作。所以，原有状态门槛板和后轮罩上料工位一共有4名操作工同时在进行工作。

通过上述分析，4名操作工均有人工涂胶然后上料到线体上料口的工作，且相邻两个上料工位相对距离较远，工作位置间的行走距离为15米。从此工位着手，如果可以有设备分担掉后轮罩人工涂胶的工作并相应调整工位布局，即可以由2名操作工完成剩余的工作，实现减员2人/班。

3.2 协作机器人引入方案

如果使用传统的工业机器人，除了2台机器人本体以外，需要布置围栏和光栅把机器人工作区域与操作工隔绝开来，然而如图2所示，现有自动工位布局已经占满机器人，没有空间安置这些额外的设备。

所以如图3所示，最优的方案是通过在门槛板上料操作工身边增加2台协作机器人，无需增加工位防护即可实现后轮罩自动涂胶的工艺。此时2台协作机器人已经承担了后轮罩操作工的大部分工作，同时，为减少操作工的走动距离，我们对后轮罩上料口进行改造，让后轮罩上料位置更接近门槛板工位，这样由门槛板操作工承担掉后轮罩的上料工作，从而达到节省2名后轮罩操作工的目的。

此方案涉及的新增设备除了2台协作机器人以外，仅有简易的工装涂胶台，涉及的设备改造仅为人工涂胶枪用于协作机器人的胶枪改造，上料口方向的改造以及少许围栏电气辅件的微小改动。

3.3 方案小结

协作机器人的引入方案，相比引入传统机器人，节省了工艺占地面积，节省了光栅等电气安全辅件和自动涂胶照相的设备投资。

从设备投入对标人员投入的方面来看，按照5年工厂2班运行的方式，每班节省2名操作工，扣除设备投入和维护费用，总节省可高达200余万元。

从人机协作的发展方向来看，协作机器人作为人机协作以及有限布局空间的工艺规划新思路，可实现节省自动设备投资以及减员的目标，将减员增效的可能性想法化为实践的可行性方案。车身车间此次引入协作机器人，拓展了其应用范围，为车身车间的新技术、新设备、新工艺运用积累经验，为协作机器人的试点奠定推广应用的基础。

4 总结与展望

随着工业4.0的来临，协作机器人在汽车生产工人的身旁协同工作，从而产生极高效率的“人机协作”，这将是未来汽车生产减员增效的发展方向。

本文创新的介绍了一种在车身车间内使用协作机器人来减少操作工的解决方案，由机器人负责涂胶，人负责检查质量，从而产生高效的人机协作以及降低总成本。

利用协作机器人的特性，在未来可以拓展出更多的应用，不仅可以用于车身车间的涂胶工作，在更多人机协作、场地有限的工况下，都可以考虑让协作机器人承担操作工的复杂工艺。相信在自动化设备不断进步的同时，车身车间的自动化、协作化程度也会紧跟着不断提高。

参考文献

[1] 刘志伟.人机协作机器人的探讨[J].中国新技术新产品，2019（7）.

[2] 刘永安.协作技术与工业机器人发展[J].装备制造技术，2019（2）.

[3] 任怡.协作机器人智能生产“好帮手”[J].上海信息化，2017（12）.