協作機器人執行碼垛應用。（圖片來源：斗山機器人）

在過去的幾年里，你可能見過協作機器人（cobots）在倉庫里堆垛托盤，在快餐連鎖店里制作薯條。如今的協作機器人已經足夠強大，可以精確地處理重達 55 磅的有效載荷，并且足夠安全，可以與人類工人并肩作戰。在協作機器人不斷學習執行更復雜任務（如配置應用程序）的同時，人機界面（HMI）也變得更加簡單。設置可以在很短的時間內完成，帶有觸摸屏和直觀編程功能的類似 PC 的平板電腦使員工很容易學會該系統。

當然，要充分利用 cobot 的優勢，還需要為工作選擇合適的 cobot。本文將討論為您的制造應用選擇 cobot 的五個關鍵考慮因素。

功能性

在制造業中，cobot 可執行拾放、碼垛、裝配、焊接和機器操作等任務。在選擇過程中，首先要了解 cobot 將執行的任務的參數。cobot 的運動是基于固定的重復運動，還是基于傳感器輸入的可變運動？運動速度有多快？cobot 可操作的空間有多大？所需的具體運動類型將確定所需的軸或關節數量。是否需要與人類直接互動？例如，在碼垛應用中，cobot 是直接將貨物從生產單元卸載到托盤上，還是卸載到中轉區？是否需要旋轉要碼垛的物品？發現這些信息后，我們就可以做出決定，確定特定的 cobot 配置和接口，以滿足預定操作人員的需要。

確定尺寸

設計最佳 cobot 系統所需的重要因素包括有效載荷的大小和重量、預期到達距離、可重復性要求和可用占地面積。載荷極其重要，因為它會影響整個 cobot 組件，而重量和觸及范圍要求則決定了適當控制有效載荷所需的關節尺寸和數量。

機器人各部分（腰部、肩部、肘部、腕部和末端執行器）的運動任務和設計決定了關節電機的扭矩和速度要求，以及關節間手臂的長度。有效載荷越重，伸展距離越長，實現最佳運動所需的扭矩就越大。cobot 的可重復性確定了機器人每次被要求移動到目標位置時能夠達到的接近目標位置的程度。

重復性由相對于目標位置的正負值來表示，該值越小，重復性越好。必須考慮機器人整個移動過程中的可用占地面積。在前面提到的碼垛應用中，需要考慮每個待碼垛物品的重量和形狀，以及抓取機構的重量。被拾取物品從工作單元到托盤的移動距離以及托盤的寬度將決定 cobot 的觸及范圍。最后，工作單元將物品運送到托盤站的預期速度將決定 cobot 抓取和放置物品的速度。

機器人設計人員收集這些具體信息，分析與所需運動相關的運動學。逆運動學分析具體的運動路徑，并確定每個可變關節的參數，以實現末端效應器的位置和方向。計算會審查影響各關節加速度要求的慣性要求、與各關節電機相關的扭矩和速度參數以及運動的幾何形狀。當末端效應器移動到所需位置時，關節間元件的長度決定了每個關節上的力矩負荷。這些計算的基礎是 Denavit-Hartenberg 參數，其中包括

沿前一個 Z 軸（旋轉軸）到公共法線（X 軸，即下一個關節的 Z 軸）的偏移量

從舊 x 軸到新 x 軸與前 z 軸的夾角

共同法線的長度（假定是一個旋進式關節，則為圍繞前一個 z 軸的半徑），圍繞共同法線的角度，從舊的 z 軸到新的 z 軸。

圖 1. 為斗山 M/H/A 協作機器人系列定義的參數和重心 (COG)。（圖片來源：斗山機器人）

這些參數（圖 1）通常由協作機器人制造商提供，還包括關節和連桿質量以及相對于基面坐標的重心位置的詳細信息。

兼容性

雖然協作機器人可以獨立于任何其他系統運行，但它們通常在其他設備的網絡中使用。許多工業設備利用通用通信協議，使其能夠在通用網絡上運行。協作機器人的控制系統必須具有正確的“掛鉤和手柄”，以便與工廠內的任何 PLC、HMI 或其他電子設備進行通信。

物聯網是另一個概念，它確定協作機器人如何通過互聯網進行遠程通信，可能與工廠中的其他類似協作機器人進行通信。在工廠加工區域，協作機器人可用于協助機器操作員將材料裝載到機床中。理想情況下，機床將與協作機器人進行通信，以指示何時需要新的毛坯或何時準備好移除成品零件。協作機器人需要通過公共總線網絡進行通信并共享相同的通信協議（例如，EtherCAT、Sercos、Profinet 或類似協議）。

使用方便

由于協作機器人按照設計是在制造環境中與人類協同工作，因此它們必須易于各種技能水平的工人操作。過去十年來，為協作機器人設計的軟件解決方案取得了長足的進步。

圖 2. 正在對協作機器人進行教學。（圖片來源：斗山機器人）

協作機器人界面（圖 2）的設計應為人類操作員提供直觀且易于學習的圖形用戶界面。

協作機器人的目的是協助操作員（例如焊工）操作焊接機。經驗豐富的焊工需要在不深入了解其每個元件的情況下操作協作機器人。選擇可以利用焊接專業知識進行預編程的協作機器人將更容易過渡到工作單元。

安全特性

在選擇任何協作機器人時，安全性至關重要。由于協作機器人在共享空間中與人類協作，因此它們必須配備許多固有的安全功能。徹底的風險評估對于確定特定的協作機器人設計是否滿足預期的安全需求至關重要。典型的安全功能包括基于集成到設計中的傳感器來防止過大的力、扭矩或速度的限制。安全運動配置由安全風險評估的結果決定，該評估定義了與特定安全事件相關的停止模式。

許多協作機器人控制器允許創建特定的安全區域，在其中激活預先確定的操作，例如降低速度、降低扭矩限制或其他避免碰撞例程。由于協作機器人應用中人類的距離很近，因此系統設計人員必須進行徹底的安全分析，并且必須納入適當的安全運動和安全機器 SIL 建議。ISO/TS 15066 提供了協作工作空間的設計和實施指南（圖 3）。

圖 3. 協作機器人滿足 TUV SUD 認證的基本安全措施。（圖片來源：TUV SUD）

碼垛應用中的移動協作機器人

在碼垛示例中，要考慮的組件取決于所需的碼垛操作。考慮協作機器人將執行的功能，包括如何裝載或卸載產品、將協作機器人定位在哪里，以及將使用哪些傳感器技術進行運動和產品定位。在此示例中，最大有效負載高達 55 磅，所需范圍為 1.7 m。包裹拾取裝置將是一個重量約為 6.5 磅的輕型真空夾具。協作機器人將使用 Windows 操作系統下的可觸摸 PC。

該軟件必須包括具有簡化 GUI 的特定碼垛應用程序。垂直提升系統應包含伺服執行器，并且將添加輪子以為協作機器人提供移動元件。具有 3 個自由軸（上、下、左、右）的雷達傳感器將用于距離檢測，以增強安全性。這個特定于應用程序的需求集合開始涵蓋功能、規模和易用性考慮因素。兼容性元素將與 PC 操作以及 PC 操作如何聯網到工廠操作相關。

最重要的考慮因素是安全。本例中的安全風險評估可以考慮下面的停止事件和安全條件。

SIL3、PL e CAT4，包括安全扭矩關閉 (STO)、安全制動控制 (SBC) 和緊急停止。

SIL2、PL d CAT3，包括工具中心點 (TCP)/機器人位置限制、TCP 方向限制、TCP 速度限制、TCP 力限制、機器人動量限制、機器人功率限制、碰撞檢測、安全 I/vO 和反射停止。

所有這些安全事件均根據相應的 IEC 或 ISO 標準進行測試，結果由機器安全專家進行認證。在將協作機器人投入生產之前，需要一份證明協作機器人已滿足所有適用安全標準的文件。

協作機器人在補充勞動力方面繼續發揮著關鍵作用。它們在應用中的使用可以提高生產并使工作環境對人類來說更安全。在將協作機器人設計到應用程序中時，遵循這些關鍵考慮因素將帶來成功的實施和豐厚的投資回報。

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Doosan 信條是代表我們的理念和獨特運營方式的原則。這些原則是 Doosan 在上個世紀獲得成功的基礎。Doosan 信條是我們的業務和人員在各方面均不可或缺的組成部分，明確指導我們的決策以及經營方式。通過實踐這些價值觀，Doosan 才能實現我們的最終目標。

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