制造机器人的现状和发展趋势

说到机器人，很多人脑海里就会浮现出一个长的像人一样的机器，但实际上，广义的机器人其实存在着多种形式，人形机器人只是其中的一种，机器人已经以各种各样的形式在我们日常生活中扮演非常重要的角色，比如生产线上的机械臂、无人驾驶车辆、无人机、扫地机器人、娱乐机器人、仿生机器人等等。如下图所示：

如此多种形态各异的机器人，到底该如何分类呢？按照国际机器人联盟的分类，机器人一般分为工业机器人和服务机器人。当然这样的分类也是泛指，随着机器人及人工智能技术的发展，机器人形式越来越多样化，人和机器的联系越来越紧密，按照这个定义其实很难将如此多种类的机器人进行比较清晰的分类。

因此，本人将机器人按照具体的用途细分为如下几个方向：

• 生产制造机器人。主要指用于生产线上从事精密的、重复性劳动的机械臂。这也是机器人最早最古老的用途。
• 娱乐陪伴机器人。主要用于教育、娱乐、客服等方向，一般是长的小巧可爱的人形机器人。
• 特种行业机器人。主要指用于医疗、航空航天等行业的机器人。
• 救援巡检机器人。主要用于洪涝地震灾难中救援及高压线路、边境等危险作业中的巡检工作。
• 仿生机器人。主要用于模拟人类、动物飞行、奔跑、爬树甚至思考的机器人。

本文首先从机器人最古老的用途：生产制造开始介绍。其他类型机器人请关注后续文章。

制造机器人发展历史

第一个用于生产制造的机器人是1956年由Unimation 公司生产的，功能非常简单，不能进行编程，只能通过预设机器臂角度来操作。之后全球开启了机器人的浪潮，以欧美和日本为主导。第一台可编程的商用工业机器人是瑞典的ABB公司在1974年1月研发的，这是世界上第一台由微处理器控制的机器人，并且实现了量产。之后机器人在生产车间里大规模使用，可以代替大量的人力，降低运营成本，从而使标准化生产得以实现，并提升生产效率和产品良率。目前全世界著名的制造机器人有四大家族，即日本的FANUC、安川电机，瑞典的ABB，和德国的KUKA（被美的收购）。其中，FANUC和 KUKA，主要用于汽车行业；ABB主要用于电子电气和物流搬运，而安川电机主要应用在电机和变频器行业。

用于生产制造的机器人最被人熟知的应用就是汽车制造行业， 在美国超过60%的工业机器人都是用于汽车制造业。下面就以汽车制造机器人为例进行介绍。

制造机器人的优势及问题

在汽车制造领域，机器人一般是以各种各样的机械臂的形式出现的。这些机械臂在汽车生产制造中，主要扮演着装配工、操作工、焊接工等角色，主要应用在装配、焊接、涂胶、弧焊、喷涂等。汽车制造业对机器人有非常刚性的需求，主要有以下几个原因：

机器人生产效率非常高，可以完成对高强度、高精度要求很高的工作，只要事先设定好程序，就可以保质保量的完成任务；
机器人代替人类在低温、高温、有毒等恶劣环境下工作；并且可以全天候，全年无休的工作，只要定期进行维修保养就行。
当然了，万事都有两面性，制造机器人也不是没有缺点的。目前制造机器人主要存在以下几个问题：

第一个问题就是部署成本高，这个部署工作通常是由系统集成商完成。这儿需要解释下系统集成商的概念，因为机器人和自动化设备为主的生产线，本身是一个系统工程，大多数工厂客户并不具备这样的能力，因此需要一个第三方的角色来完成安装，编程，调试等，这个第三方就叫系统集成商（System Integrator）。

搭建一条机器人生产线，其实机器人本身价格只占其中一小部分，还有相当一部分是部署成本。可以占到整个成本的一大半这是为什么呢？

还用上面的例子，这里解释下原因：汽车工业制造机器人对定位精度要求非常高，除了机器人本身，要保证高标准设计要求之外，待加工的产品也必须精确的放在固定的位置，以便机器人每次都可以到同一个地方，精确执行某种操作。对于现代复杂的流水线作业来讲，这需要非常细致的设计和施工，一般需要几个月时间实施，调试。此外，只有经过培训的专业人士，才能熟练完成装配、编程以及维护的工作。因此部署成本就上去了。

第二个问题是更换成本高。每一条生产线上的大部分机器臂，都是针对特定的功能设计的，如果使用了一段时间需要变更生产需求，就需要重新设计和部署。比如汽车制造机器人的控制系统、夹具等都是专为某一车型的生产线定制的，如果车型改设计，就需要重新设计工装、夹具，加工线，然后重新部署机器臂、培训工人。这个过程一般需要几个月甚至更长。

第三个问题是空间利用率低。传统工业制造用的机械臂一旦固定好，一般情况下这个空间就只能给它专用。从安装好一直到它报废，这块地方都是它的，也就是说不能复用。

说到这里，有些读者会有疑问：既然汽车制造机器人这么多问题，为什么汽车制造商还在大量使用？

其实对于像汽车制造行业来说，生产周期一般较长，而且单价高。一条加工线布置完成后，机器人的部署一般会保持数年不变。所以在这段时间内，就算是实施柔性生产，也只需要调整工装和夹具，加工线基本不会做大的变动，可以最大化发挥机器人标准化、高效率的优势。据统计，2016年汽车行业占据了全球机器人出货量的40%以上。

制造机器人面对的新挑战

目前中国人口红利逐渐消失，以前人工成本低，所以劳动密集型产业还是可以活的很好。现在企业生产线用人成本在逐渐提高，而且年轻人越来越不愿意去做这种重复性劳动，也不愿意加班，企业招工难、用人成本高。这方面，对成本敏感的中小企业尤其压力山大。

另外，最近几年随着3C等新兴行业发展，手机、平板、可穿戴设备等消费电子产品的更新换代速度非常快，基本上生命周期只有一两年，短的甚至只有几个月。

如果采用传统机器人方案，投入大量资源，耗费数月建设的生产线可能连成本的零头还没收回，所生产的产品就该退市了。而如果对生产线再进行改造，又要投入巨大的资源，这是不可接受的。

因此，相对于前面讲过制造机器人存在部署成本高、占用空间大、更新换代难等问题，3C行业对工业机器人有着短周期、定制化、低成本的强烈需求。

有没有什么解决办法？

新趋势：协作机器人

传统工业制造机器人无法满足中小企业和3C等新兴市场的短周期、定制化、协作化的需求。因此，更加灵活、智能、可以和人协作的协作机器人出现了。

说到协作机器人，最有名的就是Rethink Robotics公司。这家公司发布了全球首款协作机器人，其两款机器人Baxter 和 Sawyer开启了协作工业机器人的新时代。

Baxter是第一代协作机器人，它主要用于生产线上料、机器操控、包装和材料处理等小批量、多品种的生产任务。它有一个非常有意思的功能，就是可以通过显示屏呈现的表情变化，了解机器人当下的运行情况。如果工作一切顺利，它就会微笑；如果工作出错了，它会皱眉；如果他对你输入的指令产生疑惑，它就会扬起眉毛。如果它想从你的手中接过一样东西，他的眼睛先会朝着你所在的方向看，然后才有“拿东西”这个动作。下图所示是Baxter的表情变化体现机器人的“情绪”。

Baxter的类似人类的情绪设计，让它在实际应用中更好的与人类协作。而且，Baxter还配备了力传感器，所以它的移动更加温和，在碰撞时，可以在短时间内迅速减少冲击力，把安全风险降到最低。这个与我们平常在工厂里看见的那种非常笨重，冷冰冰的机器臂就很不一样。不过，Baxter也存在不少缺点。比如Baxter的最后一节手臂，处于安全的考虑采用了塑料材质，因此，它在精度、额定负载，都很难达到传统工业机器人的应用标准。为了弥补这个缺陷，Rethink Robotics在2015年初发布了第二款协作机器人Sawyer。

Sawyer最大的亮点就是具有类似人类的自主学习能力。举个例子，你想让机器人完成从A到B的移动，并且抓起在B点的一只水杯。你只需要“教”它一次就可以了，也就是只需要用手来拖动机器手臂到B点，并且抬起机械钳帮它把水杯抓起来，点击示教结束就可以了。就像我们“手把手”教小孩走路一样。整个演示的路径，也都被机器人程序自动记录，并通过路径规划，进行持续优化，最终找到最优的路径。以后它就能按照这个路径，自行完成这个操作。

此外，Sawyer的头顶和手臂上都安装有摄像头，利用计算机视觉技术可以实现机器人视觉定位。

该技术可以让机器人适应不断变化（比如被撞后移动的桌子、被移动的设备等）的真实世界，帮助机器人在桌面、工作台等发生变化后仍然能够准确的工作。这个系统通过使用环境标记（landmarker），与它的嵌入式视觉系统相结合，机器人能够识别标记的原始位置，当这些位置稍微改变时，可以观察到新位置的方向变化，并相应地调整它的运动。它能识别X，Y，和角旋转的变化。

在工业4.0时代，面对“多订单，小批量”的柔性生产模式，对机器人编程和调试的更改频率会增加。Sawyer配套了软件交互平台Intera，在这个平台上，代码被内嵌到每一个图形模块中，设计人员可以用类似拼图的方式进行创建新程序，修改何调试，快速监控机器人工作。

协作机器人体型小、灵活程度高、易于使用，能够满足多品种少量生产。 可以用于小家电、电子玩具等短周期生产线，为客户节省空间、降低成本，可以根据客户需求灵活变更人与机器人的作业分担，更愉快的实现人机协作。应用前景非常广阔。

本文首发于公众号：计算机视觉life。原文：制造机器人的现状和发展趋势

关于制造机器人就介绍这些。后续公众号将继续介绍特种行业机器人、救援巡检机器人、仿生机器人等。敬请关注。