協(xié)作機(jī)器人在工業(yè)4.0中的關(guān)鍵作用

EsbenH.Qstergaard

一、概述

本文旨在解析協(xié)作機(jī)器人（Cobots）在備受矚目的工業(yè)4.0中的關(guān)鍵作用。在充分明確“工業(yè)4.0”和“協(xié)作機(jī)器人”的相關(guān)理念的前提下，我們將重點研究協(xié)作機(jī)器人在工業(yè)4.0環(huán)境中的適用性，及其在工業(yè)4.0的整體發(fā)展中所發(fā)揮的作用。最后，我們將展示協(xié)作機(jī)器人的特殊性質(zhì)和功能如何揭示工業(yè)4.0理念中隱含的一些局限性。

二、IndUStry4.0

1、理念探源

工業(yè)4.0是德國聯(lián)邦科教部（German Federal Ministryof Educationand Research）采用的口號，指明了第四次工業(yè)革命為德國工業(yè)創(chuàng)造的新機(jī)會。該部門積極支持公司通過其“Zukunftsprojekt Industrie 4.0”項目以及與德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部（German Federal Ministry for EconomicAffairsand Energy）聯(lián)合運營的“Plattform Industrie 4.0”，謀求新的發(fā)展機(jī)會。

2、工業(yè)4.0與第四次工業(yè)革命

“第四次工業(yè)革命”一詞通常被理解為一系列充分融合實體與數(shù)字世界的制造技術(shù)，并且以在人工智能（AI）、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、無人駕駛汽車和3D打印等技術(shù)領(lǐng)域取得的突破作為主要驅(qū)動力。

與對工業(yè)生產(chǎn)更為嚴(yán)格的工業(yè)4.0不同，“第四次工業(yè)革命”一詞也涵蓋了技術(shù)變革對民間團(tuán)體、治理結(jié)構(gòu)和人類認(rèn)同的影響。

3、工業(yè)4.0的定義

工業(yè)4.0的理念已不僅局限于德國，目前已廣泛應(yīng)用于世界各地。該理念采用不同的定義方式，援引那些通常被認(rèn)為是該理念“創(chuàng)始人”的工業(yè)4.0工作組成員的描述，維基百科將工業(yè)4.0定義為CPS信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算的結(jié)合，通常被稱為“智慧工廠”。

德國聯(lián)邦科教部的設(shè)想是“機(jī)器能夠彼此溝通，在生產(chǎn)過程中能夠相互告知任何錯誤，識別和訂購不足的材料，這就是智慧工廠”。

2015年，麥肯錫將工業(yè)4.0定義為“制造業(yè)數(shù)字化的下一個階段”，其中包括四個推動階段：數(shù)據(jù)量、計算能力和連接性的驚人增長，特別在新型低功率廣域網(wǎng);分析和商業(yè)智能能力的出現(xiàn);人機(jī)交互的新形式，如觸摸界面和增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng);以及將數(shù)字指令傳輸?shù)綄嶓w世界的改進(jìn)，如先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)和3D打印。優(yōu)傲機(jī)器人認(rèn)為，工業(yè)4.0主要是將互聯(lián)網(wǎng)作用于制造業(yè)。

4、工業(yè)4.0設(shè)計原則

目前政府和專家已經(jīng)制定了一套工業(yè)4.0設(shè)計原則，以幫助企業(yè)識別和實施工業(yè)4.0情境。這些原則是：

互操作性：通過機(jī)器、設(shè)備和傳感器和人們能夠通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）或互聯(lián)網(wǎng)（IoP）相互連接和通信。

信息透明度：信息系統(tǒng)能夠通過集成來自傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)字化工廠模型創(chuàng)建實體世界的虛擬副本。這需要將原始傳感器數(shù)據(jù)整合為具有更高價值的信息。

技術(shù)援助：首先，援助系統(tǒng)能夠通過綜合和可視化信息來幫助人員做出明智的決策并在短時間內(nèi)解決緊急問題。其次，CPS信息物理系統(tǒng)能夠執(zhí)行一系列對于人工操作者不快、過于疲勞或不安全的任務(wù)，從而切實為人工操作提供支持。

分散化決策：CPS信息物理系統(tǒng)能夠自行做出決定并盡可能自主地執(zhí)行任務(wù)。只有在發(fā)生例外、干擾或沖突目標(biāo)的情況下，才將任務(wù)委托給更高級別的系統(tǒng)。

5、質(zhì)疑和批評

工業(yè)4.0的理念或許會被批評為華而不實的營銷口號或新聞炒作。某些評論家指出，技術(shù)變化是不斷發(fā)生的，這樣過分簡化的場景，實際上是具有誤導(dǎo)性的。另一些批評者看到了工人和其他相關(guān)人員所面臨的一些危險，除非制定了排除失業(yè)影響的制度，并確保工業(yè)4.0產(chǎn)生的財富廣泛分配于社會。最后，工業(yè)4.0支持者和批評者指出，采用基于工業(yè)4.0相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情境面臨著許多挑戰(zhàn)。常見的挑戰(zhàn)包括：

集成新系統(tǒng)和對數(shù)字化系統(tǒng)的更多使用，數(shù)據(jù)安全性問題將大幅加劇。專有的生產(chǎn)知識安全也會受IT安全問題的影響;

成功的CPS信息物理系統(tǒng)通信需要高度的可靠性和穩(wěn)定性，但能難以實現(xiàn)和維護(hù);

用較少的人力監(jiān)督維持生產(chǎn)過程的完整性;

引入新型自動化設(shè)備時，缺少高技術(shù)能力和高附加值的人工;

如何避免可能導(dǎo)致高成本生產(chǎn)過程中斷的技術(shù)問題。

三、協(xié)作機(jī)器人

1、協(xié)作機(jī)器人的定義

協(xié)作機(jī)器人（Cobot）是一種旨在能夠與人工操作者進(jìn)行合作的機(jī)器人。協(xié)作機(jī)器人的早期研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作主要側(cè)重于安全性，目的是實現(xiàn)機(jī)器人與人工操作者一起工作。在開發(fā)世界上第一個獲得商業(yè)成功的協(xié)作機(jī)器人時，優(yōu)傲機(jī)器人意識到，如想真正實現(xiàn)機(jī)器人的協(xié)作性，還需要方便操作的編程、輕量化的設(shè)計和靈活性的部署。

優(yōu)傲機(jī)器人在2008年推出了UR5，隨后又在2012年推出了UR10，在2015年，桌面型機(jī)器人UR3誕生了?；趦?yōu)傲機(jī)器人的啟發(fā)，其他一些機(jī)器人制造商隨后也進(jìn)入了協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，到2017年中旬，約有40家公司積極推廣“協(xié)作機(jī)器人”。

2、優(yōu)傲機(jī)器人公司的協(xié)作機(jī)器人

優(yōu)傲機(jī)器人公司的協(xié)作機(jī)器人具有以下特點：

僅包括占地空間很小的機(jī)器人手臂;

確保操作人員在工作中的安全性，不需要保護(hù)性圍欄;

便于普通操作人員進(jìn)行編程、部署和重新部署;

充當(dāng)操作人員的工具，而不是替代人工操作的設(shè)備;

公司能夠控制自己的自動化流程。

雖然優(yōu)傲機(jī)器人公司生產(chǎn)的協(xié)作機(jī)器人有時可以部署在全自動化環(huán)境中，但它們的主要作用仍然是協(xié)同使用，協(xié)作機(jī)器人和操作人員共同完成所分配的任務(wù)。

3、優(yōu)傲機(jī)器人的定義

“優(yōu)傲機(jī)器人”的名字來自于捷克劇作家卡里洛·奇別克的科幻劇本《羅薩姆萬能機(jī)器人制造公司》。在“優(yōu)傲機(jī)器人”看來，我們將其定義為：“能夠使那些不同國家、不同行業(yè)和不同工作的人員以不同的預(yù)算和編程技能實現(xiàn)不同流程的自動化的機(jī)器人。這一術(shù)語有助于解釋優(yōu)傲機(jī)器人在行業(yè)中的獨特作用以及公司與工業(yè)4.0的關(guān)系等更多信息。

四、協(xié)作機(jī)器人在工業(yè)4.0中的關(guān)鍵作用

1、工業(yè)4.0蓄勢待發(fā)

作為一種設(shè)備，大多數(shù)協(xié)作機(jī)器人包括來自優(yōu)傲機(jī)器人公司的協(xié)作機(jī)器人都完全符合工業(yè)4.0設(shè)計原則。它們配備強(qiáng)大的工業(yè)用計算機(jī)，可以在任何工廠環(huán)境中互通互聯(lián)，并且可以輕松接入物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。協(xié)作機(jī)器人通過收集數(shù)據(jù)并將其傳遞給其他系統(tǒng)進(jìn)行分析、建模等，提高信息透明度。盡管協(xié)作機(jī)器人更多作為操作人員的工具使用，而不是作為自我主動的設(shè)備，但是它們?nèi)匀荒軌虼龠M(jìn)分散化決策。

另外，協(xié)作機(jī)器人是經(jīng)典的工業(yè)4.0產(chǎn)品，它們是通過軟件升級及其自身可編程性來實現(xiàn)不斷進(jìn)化的數(shù)字產(chǎn)品。它們甚至支持?jǐn)?shù)字化商業(yè)模式，如Hirebotics可以提供按小時租賃協(xié)作機(jī)器人服務(wù)。

2、自動化的大眾化發(fā)展

除固有的與工業(yè)4.0兼容性，協(xié)作機(jī)器人為那些可能無法負(fù)擔(dān)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的公司實現(xiàn)自動化生產(chǎn)流程提供了重要助力。由于它們具有多功能性、易于編程、體積小、重量輕且價格合理的特點，協(xié)作機(jī)器人正在廣泛應(yīng)用于中小型企業(yè)以及發(fā)展中國家。

協(xié)助機(jī)器人的其他特點，如多功能性、用戶友好性、占地空間小和可負(fù)擔(dān)性等也使得它們非常適用于未實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)過程中。協(xié)作機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人自動化的全面發(fā)展，幫助全球各地的公司加入到最新的自動化浪潮中，即使他們還沒有為工業(yè)4.0做好準(zhǔn)備。

3.需要“黑燈”工廠嗎

理論上工業(yè)4.0的最終目標(biāo)是“黑燈（Lights out）”工廠，這種工廠是完全自動化的，不需要現(xiàn)場人員。現(xiàn)在，有幾家工廠非常接近這個理想范圍，其中包括荷蘭的飛利浦工廠，完全自動化地生產(chǎn)電動剃須刀，只在生產(chǎn)過程結(jié)束時安排9名質(zhì)檢專員。

有趣的是，當(dāng)協(xié)作機(jī)器人部署在先進(jìn)的工業(yè)4.0環(huán)境中時，通常適合布置在需要人類工人的位置，如返修工作站。這是因為協(xié)作機(jī)器人不僅可以接收來自其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的指令，還可以在人工操作的幫助下，為其他設(shè)備和系統(tǒng)提供來自于操作人員觀測的輸入信息和一次性更改請求等。

4、顯而易見卻避而不談的事實

盡管協(xié)作機(jī)器人與上文討論的工業(yè)4.0之間存在契合點，但仍然存在一些顯而易見卻避而不談的事實。盡管“工業(yè)4.0”的最終目的是無人工廠，但協(xié)作機(jī)器人仍與工廠內(nèi)特定位置的人類工人一起工作。工業(yè)4.0環(huán)境中并沒有工廠工人的工作空間，而工廠工人對于協(xié)作機(jī)器人的部署和成功使用至關(guān)重要。在下文的“協(xié)作機(jī)器人所體現(xiàn)的工業(yè)4.0”一節(jié)中，我們將研究這個問題，重點突出協(xié)作機(jī)器人有能力完成的那些工業(yè)4.0無法實現(xiàn)的領(lǐng)域，而且我們希望揭示工業(yè)4.0的理念中易被忽視的一些限制。

五、協(xié)作機(jī)器人所體現(xiàn)的工業(yè)4.0

1、工人所體現(xiàn)的價值

工人的價值是什么？從工業(yè)4.O的角度來看，工人所體現(xiàn)的價值不大。而如果“工廠工人”被定義為“每天長時間執(zhí)行同樣的不需要動腦筋的、重復(fù)、繁重甚至危險的體力勞動的人”，那么他們可能是被機(jī)器人替代的最好的群體。然而，在優(yōu)傲機(jī)器人，我們?nèi)匀幌嘈殴S工人具有各種各樣的技能、洞察力和增值能力，而這些能力是機(jī)器人可能永遠(yuǎn)無法替代的，無論它們是或可能變得多么復(fù)雜。機(jī)器人（包括協(xié)作機(jī)器人）在變通性上與人類確實還有差異，機(jī)器人遵循指示并生成數(shù)據(jù)，它們沒有工藝知識、客戶知識、經(jīng)驗或富有經(jīng)驗的判斷力和創(chuàng)造力。因此，人類工人和機(jī)器人相互協(xié)作能做的事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于只是用機(jī)器人替代人類工人能做的事情。（參見下文“從大規(guī)模定制到個性化”）。

2、協(xié)作機(jī)器人使工廠能夠?qū)⑸a(chǎn)流程所有權(quán)和知識保留在工廠內(nèi)部

工業(yè)4.0的另一個限制涉及生產(chǎn)流程的所有權(quán)和管理它們所需的知識。自動化系統(tǒng)通常由外部顧問公司進(jìn)行設(shè)計、監(jiān)控和管理。然而，當(dāng)公司選擇生產(chǎn)基地時，生產(chǎn)工藝知識的可用性以及市場的鄰近性正在取代低成本勞動力成為更主要的依據(jù)。

當(dāng)一家公司將自動化系統(tǒng)的管理外包給外部公司時，這不僅需要花費時間和金錢，而且更重要的是切斷了現(xiàn)在工廠中所需要的人員知識和市場信息。由于協(xié)作機(jī)器人的編程、配置和控制在工廠內(nèi)部經(jīng)由本地化完成，所以選擇協(xié)作機(jī)器人方案的公司可以保留完整自動化生產(chǎn)流程的所有權(quán)以及管理機(jī)器人所需的寶貴知識。這將為用戶帶來更大的運營靈活性和機(jī)動性，并在世界市場上具有更大的競爭力。

3、從大規(guī)模定制到個性化

工業(yè)4.0核心的互聯(lián)網(wǎng)為大眾定制化產(chǎn)品帶來了新的發(fā)展趨勢。大規(guī)模定制具有一定的優(yōu)勢，但市場研究顯示，消費者的個性化需求越來越多。對消費者而言，他們非常渴望那些“能讓消費者表達(dá)自己的個性化”的產(chǎn)品、服務(wù)和人性化用戶體驗。為了實現(xiàn)這些，不僅需要大規(guī)模定制，個性化生產(chǎn)也不可或缺。我們看到了與此相關(guān)的發(fā)展趨勢，其中產(chǎn)品和服務(wù)的個性化得以加速發(fā)展，而且我們相信，未來的“工業(yè)5.0”將更加側(cè)重于將人性化用戶體驗重新投入到產(chǎn)品中。

六、未來注重合作性

機(jī)器人自動化的發(fā)展趨勢不可逆轉(zhuǎn)，然而值得強(qiáng)調(diào)的是，協(xié)作機(jī)器人的本質(zhì)仍然是“協(xié)作”。協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計目的是與“人”（也就是操作者）合作，而不是以工業(yè)4.0描述的方式避開人工操作者。盡管工業(yè)4.0的概念并未完全反對“人”的參與，但是在某種程度上把協(xié)作機(jī)器人排除在了框架之外。在優(yōu)傲看來，這種差異體現(xiàn)在對于“協(xié)作機(jī)器人”中“人”的價值的理解，暴露了工業(yè)4.0概念存在著一些明顯的局限性，協(xié)作機(jī)器人至少指出了可以超越工業(yè)4.0范圍的某些技術(shù)和可能性。優(yōu)傲機(jī)器人目前傾向于稱其為“工業(yè)5.0”。