1996年,美國西北大學的兩位教授J.Edward Colgate和Michael Peshkin率先提出了“協作機器人”的概念。他們希望探索一種能夠在確保工人安全的前提下,還能與之和諧共事的機器人。雖然他們的構想因當時的技術局限性未能實現,但這種人機協作的理念將人機交互推向了機器人技術發展的前沿。
經過多年的技術革新,終于在2004年,KUKA發布了全球首個協作機器人——LBR,隨后2008年,優傲機器人(Universal Robots)的UR5首次實現了協作機器人的商業成功。自此,協作機器人也在全球范圍內的嶄露頭角。
而今,協作機器人已經成為了制造業中不可或缺的關鍵幫手,它不僅大幅提高了生產效率和靈活性,還徹底重塑了工業生產的面貌。而且隨著成本和技術的持續優化,開始走向更為豐富的商業場景。
圖1:協作機器人歷史
(圖源:AUGMENTUS)
從robot到cobot
人機交互的的跨越
協作式機器人(collaborative robot)簡稱cobot,是可以和人類在同一工作空間中協同作戰,并實現近距離互動的機器人。從機器人(robot)到協作機器人(cobot),人機交互實現了巨大的跨越式發展。
傳統機器人是按照預先編程進行自動作業,或者是在有限的導引下進行作業,缺乏主動避讓人類的安全功能。若需與人共享同一工作空間,傳統機器人就必須配備安全防護裝置,通過人機隔離以保證工人的安全,這自然也就隔斷了人機之間的互動可能。
相較之下,協作式機器在互動性和安全性方面表現出色,能與人類更密切的合作。機器人發揮其效率和準確性優勢,而人類則發揮智慧和創造專長。兩者人機協同,可讓生產制造環節在創新和生產力之間取得更好的平衡。
圖2:人機協作
(圖源:Mechanical Engineering)
工業4.0時代,制造業需要更快速、主動地響應不斷變化的消費者需求。對于某些定制產品而言,其制造流程和工藝可能都是根據客戶的個性化需求量身定制的。這種大規模定制化的制造趨勢,給工廠的裝配工作提出了更高的要求。
據相關數據顯示,在新時代工業制造中,裝配工作約占總工作量45%,占總生產成本的20%-30%。而協作機器人的出現,可以大幅提升裝配線效率、精度等,更適合定制化的產線作業,是當前及未來工業制造中不可替代的“生產工具”。
Brimind是一家汽車類傳感器制造商,其傳感器產品尺寸非常小,重量也很輕,非常考驗機器人的識別精準度和夾持力度。為了提高裝配效率,減少人為失誤造成的損失,Brimind在裝配線的三個站點引入了ABB的GoFa協作機器人。實際結果表明:開始時人工純手動方法實現了接近90%的OEE(Overall Equipment Effectiveness,設備綜合效率),而引入協作機器人后,裝配站目前的OEE達到了97%。
另一個案例來自寶馬汽車:汽車差速器的裝配對于精度要求極高,需要將各個部件實現分毫不差的組裝。然而差速器的殼體重達約5.5kg,因此對于裝配人員而言操作困難、耗時較長,且裝配精度難以保證。在引入了KUKA公司的LBR iiwa輕型協作機器人后,就可以人機協作實現錐齒輪的靈敏接合,現在差速器和殼體的接合整個過程耗時不到半分鐘。
圖3:BMW使用協作機器人進行變速器組裝
(圖源:KUKA)
據Yano Resarch的預測,2032年全球協作機器人的出貨量將從2021年的44,204臺增加至約432,514臺;市場規模從9.94億美元增長至70億美元。
中國是制造業大國,對于協作機器人的市場需求也是逐年增加。據高工機器人產業研究所(GGII)數據,2022年我國協作機器人銷量約為3.5萬臺,整體市場規模達到了36.05億元。如此大的市場和未來增長前景,吸引了全球協作機器人企業的爭先涌入。
圖4:全球協作機器人出貨量變化與預測
(圖源:Yano Research)
更好的前景也吸引了資本的紛紛入局,2022年中國協作機器人市場共發生13起,總規模超過50億元人民幣的融資案例。其中節卡機器人于2022年7月宣布完成約10億元人民幣D輪融資,創下了協作機器人領域融資金額新高。
交互能力的實現:
感知、計算和HMI缺一不可
協作機器人要與人類在實時動態環境中無縫合作,需要具備強大的交互能力。通過這種交互能力,協作機器人得以準確快速地理解人類意圖、有效溝通并適應動態環境。
而這種交互能力的實現,需要感知、計算和人機界面(HMI)等多個功能模塊的協同工作。
圖5:協作機器人框圖
(圖源:英飛凌)
感知能力是協作機器人順利執行任務的基石。具體而言,感知部分分為環境感知和機器人自身感知兩大類。環境感知主要依靠傳感器來收集周圍環境的信息,從而判斷是否滿足工作的條件。而機器人自身感知則通過一系列傳感器,如位置傳感器、力矩傳感器、視覺傳感器、壓力傳感器以及3軸陀螺儀或IMU等,來確保機器人的動作精準無誤,同時實時監測人體位置,有效避免任何潛在的相互干擾。
在計算部分,協作機器人的每個運動軸通常都配備了獨立的微控制單元(MCU)來負責電機的精準控制。而對于機械臂整體智能的協調,比如傳感信號的采集、視覺信息的處理、工業互聯及人機界面(HMI)等復雜任務,則需依賴功能更強大的微處理器(MPU)、系統芯片(SoC)或中央處理器(CPU)來實現。這些核心的計算與控制功能,有時直接集成于協作機器人中,但更多情況下是通過外部的獨立控制器來完成。
至于人機界面(HMI),常見的形式包括觸控屏、交互式按鈕、語音識別系統等。這些界面同樣依賴傳感器與MCU的配合,以實現直觀且高效的人機交互。
圖6:協作機器人應用框圖
(圖源:英飛凌)
那什么樣的器件才能夠滿足協作機器人的感知、計算和HMI應用需求?接下來我們一同探究。
為電容/電感傳感而生的MCU
電容傳感技術適用于那些需要觸摸按鈕、滑條、旋鈕、觸控板以及觸摸屏等交互界面的應用場景。相較之下,電感傳感技術則是一種既可靠又經濟的方案,它不僅能與現有的用戶界面無縫集成,還能用于檢測金屬或其他導電物體的存在。
英飛凌(Infineon Technologies)提供了先進的CapSense電容傳感和MagSense電感傳感產品,而且還提供了更易與這兩類傳感器結合的PSoC4系列MCU產品。
圖7:PSoC4電感應用框圖
(圖源:英飛凌)
PSoC4系列微控制器基于Arm Cortex-M0架構,這不僅保證了較低的能耗,而且其主要特色在于其內置的混合信號架構。該架構配備了豐富的模擬和數字資源,特別是為CapSense和MagSense量身打造的專用模塊,大大簡化了與電容和電感傳感器的接口設計,提高了信號處理的效率。
關于PSoC4系列我們推薦的具體型號為CY8C4024LQS-S411,詳情可在貿澤電子官網上查詢。
圖8:PSoC4參數表
(圖源:英飛凌)
賦予機器人聆聽的能力
在人機交互領域,語音互動無疑是實現自然溝通的關鍵手段之一。機器人能夠通過內置麥克風捕捉人類的語音指令,并通過揚聲器進行即時反饋,從而實現雙向的語音交流。
對于構建高效的語音用戶界面(VUI),英飛凌的XENSIV MEMS麥克風系列是不錯的選擇。這一系列的麥克風擁有高達105dB的動態范圍,即便在嘈雜的環境或高聲壓級下,也能以極低的自噪聲和微小的失真保持音質純凈,確保對音頻信號的精準捕捉。
推薦產品型號為IM67D130AXTSA2,詳細信息可在貿澤電子官網上查詢。
圖9:XENSIV MEMS麥克風
(圖源:貿澤電子)
探索未來:
自然人機交互的新紀元
協作機器人的人機交互正逐漸邁向其終極目標:打造一種如同人與人交流般自然流暢的互動模式。在這種理想的互動中,哪怕是微妙的眼神和肢體語言都能成為信息傳遞的載體。技術的不斷進步,尤其是在自然交互與情感表達方面的突破,為我們揭示了這一愿景的實現之路。
隨著大語言模型(LLM)技術的興起,將其與協作機器人進行結合正變得越發可行。展望未來,人類將能夠借助自然語言與協作機器人進行溝通,而非局限于預設的固定語音指令。得益于語義分析能力的加持,協作機器人在自然學習方面的潛力將得到極大拓展;相比之下,傳統的軌跡學習能力不過是冰山一角。曾經高大上的手勢識別與追蹤等功能,也將成為協作機器人的標準配置。
此外,如何強化人們對機器人的信任感也是人機交互研究的重要議題。機器人意圖的可視化表達是增強信任的有效手段之一,這可以通過變換LED燈光顏色或利用顯示屏演繹面部表情等多種方式實現。
而要實現更深層次的無縫協作,我們可以考慮將虛擬現實(VR)技術與協作機器人相結合,甚至通過腦機接口等尖端技術實現人與機器共融,從而達到真正的無縫協作。
隨著技術的不斷進步與創新,我們正向著實現更加自然、無縫的人機協作關系的愿景穩步前行。協作機器人的交互不僅僅是技術進步的體現,更是人類生產方式、工作環境乃至生活方式的一次深刻變革。這一切的努力,都旨在打造一個人與機器人能夠和諧共處、互助互補的未來世界。
相關技術資源
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原文標題:交互的藝術:協作機器人如何定義新一代的人機關系?
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