主流制造商已長期使用專屬的工業(yè)機器人，以提升生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)量，因而擁有其他小型企業(yè)無法匹敵的成本優(yōu)勢。但是，工業(yè)機器人已經(jīng)不再是大規(guī)模生產(chǎn)作業(yè)專屬的工具?，F(xiàn)在也有較小型的一般用途機器人，可幫助多種企業(yè)提升生產(chǎn)力，能在最小僅兩平方英尺的工作場所中與操作人員互相合作。

本文將探討為何以前無法以協(xié)作型機器人的形式，將機器人大規(guī)模部署在較小型的企業(yè)中，以及為何這種情況出現(xiàn)改變。然后還會介紹一些機器人范例，如KUKA Robotics Corp.推出的機械手臂，同時展示如何在大型和小型設(shè)施中應(yīng)用這些機械手臂。

協(xié)作型機器人的崛起

工業(yè)機器人會局限于大規(guī)模營運是因為幾個歷史因素。其中一個主要因素就是難以實現(xiàn)投資報酬率(ROI)。早期的工業(yè)機器人不僅需要投入大量的心力進行設(shè)計，而且還需要根據(jù)任務(wù)進行量身定制。因此，這些機器人僅能處理的作業(yè)類型非常有限。這會造成成本與缺乏彈性的問題，而這意味著，機器人的效率和產(chǎn)量必須比人工作業(yè)顯著提升，而且還需用于高產(chǎn)量生產(chǎn)線，才有部署的合理性。但中小型設(shè)施很少能達到這樣的條件。

為了達到最大獲利，大部分大規(guī)模作業(yè)的工業(yè)機器人，往往都很龐大且動作迅速，在操作的材料及速度上，都超越人類的極限(圖1)。機器人的動量相當(dāng)高，如果任何人擋在機器人的活動路徑上并受到撞擊，便會受傷甚至死亡。為了保護工作人員的安全，大型工業(yè)機器人需要進行隔離，放在可以聯(lián)鎖的防護籠或其他屏障后面，確保人員進入機器人作業(yè)空間時，機器人便會停機。

自從小型機械手臂問世后，如KUKA Robotics的AGILUS KR 3 R540，工業(yè)設(shè)施管理人員就有更多的選擇。這些裝置能提供通用的現(xiàn)成平臺，以相對實惠的價格，提供可觀的作業(yè)彈性。若與合適的末端效應(yīng)器連接裝置(如裝在機械手臂末端的抓手或工具)組合在一起，這些通用型平臺可大幅擴大活動范圍，從而打造能實現(xiàn)適當(dāng)投資報酬率的機器人系統(tǒng)。此外，這些機械手臂可在原先的應(yīng)用結(jié)束后馬上針對不同的動作進行編程，或以不同的末端效應(yīng)器機構(gòu)重新設(shè)定新用途，因此可增加成本回收的潛力。

這些小型工業(yè)機械手臂還有另一個關(guān)鍵特性，亦即能夠置入小型的工作空間內(nèi)，并與現(xiàn)有的生產(chǎn)作業(yè)整合。與大型制造設(shè)施里的大型機器人不同的是，小型機器人還能當(dāng)作操作人員的工作伙伴，而不是用來取代人員。此類小型協(xié)作機器人(簡稱cobot) 的設(shè)計是要近距離與人員協(xié)作，無需加設(shè)防護籠或其他類似的屏障，以免機器人按著自己的路徑移動時導(dǎo)致人員遭遇危險。與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比，小型機械手臂體型更小，活動速度也更慢，因此可在接觸瞬間停止，將受傷的可能性降到最低。此外，機械手臂通常都會內(nèi)建接近感測器，有助于徹底避免碰撞。

越來越多的廠商已開始針對中小型企業(yè)生產(chǎn)工業(yè)用的小型機械手臂。其中一個代表性例子便是KUKA Robotics的AGILUS系列，此系列共有三種款式。前面提到的AGILUS KR 3 R540是最小的產(chǎn)品。其運作范圍達兩平方公尺，可處理高達3 kg的工作負載，適合多種組件和材料的搬運應(yīng)用。AGILUS KR 6 R900-2最多能處理6 kg，而AGILUS KR 10 R1100-2最多能處理10 kg。這三款皆擁有相同的整體外觀和工作行為，并以套件形式供應(yīng)，附有控制器單元和手持操作器單元，可用來控制、監(jiān)測并且對機器人的活動進行編程。

使用所有軸來控制機器人的運動需要精湛的編程技能，但現(xiàn)在已有所簡化。機械手臂通常都會隨附控制器電腦及帶有使用者界面的平板電腦，能讓使用者透過簡單的方向按鈕來移動機器人，以到達所需的「定位點」。記錄一連串的定位點后，則可定義出完整的動作順序，讓機器人自動依序動作。有些機器人系統(tǒng)還允許使用者手動將機械手臂定位在所需的點，而非透過方向按鈕操作。

這兩種方法都可透過示范來「教導(dǎo)」機器人應(yīng)該執(zhí)行什么動作。隨后，機器人便能在命令下重復(fù)執(zhí)行該動作。讓使用者教導(dǎo)機器人，而不是透過編程，不僅簡化機器人的初始人物設(shè)定，還能夠在需求變化時，輕松地調(diào)整動作。而控制平板可進一步讓使用者在生產(chǎn)活動期間，根據(jù)需求細化和修正動作。

這些具有簡化控制編程功能的機械手臂提供工業(yè)自動化解決方案的現(xiàn)成基礎(chǔ)，可根據(jù)要執(zhí)行的任務(wù)操縱末端效應(yīng)器機構(gòu)的位置。此類末端效應(yīng)器機構(gòu)范圍廣泛，從用于抓取、定位和置放作業(yè)的簡單抓手，到螺絲起子和鉆頭等機器工具，再到烙鐵和噴漆器等復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)有盡有。會依據(jù)目標應(yīng)用決定所需的末端效應(yīng)器和系統(tǒng)整合作業(yè)，以便建立完整的解決方案。

機械手臂廠商及第三方系統(tǒng)整合商都有針對眾多常見的作業(yè)設(shè)計適合的末端效應(yīng)器機構(gòu)。例如，若想拾取及操縱物件，許多廠商都有提供兩指或三指的帶夾爪夾具，以及磁性或真空吸附拾取機構(gòu)。此外，市面上還有制造和組裝應(yīng)用所用的鉆頭、螺絲起子、研磨器和刀片。

甚至還有機械手臂廠商能現(xiàn)貨供應(yīng)完整的應(yīng)用解決方案。例如KUKA Robotics 就提供一系列「即用型」系統(tǒng)，可進行鉚接、噴漆、電弧焊、點焊以及微小螺絲緊固應(yīng)用等等(圖5)。這些系統(tǒng)包含末端效應(yīng)器系統(tǒng)元件、控制器元件、系統(tǒng)軟體以及機械手臂，共同組成預(yù)先設(shè)定好的自動化套件。

機器人的控制器會聯(lián)合設(shè)備的其他元件，對工件條碼進行掃描以便追蹤，然后將測量好的工件移至托盤，以便運送至下個加工站或是移至停留站，由操作人員視需求進行調(diào)整或更換。機械手臂具有安全功能，能讓操作人員和機器人在同一個工作空間內(nèi)作業(yè)，而不需要防護柵欄或其他屏障，因此不會妨礙工作流程。

自動化任務(wù)甚至不必是完整的操作，也能證實具有經(jīng)濟效益。舉例來說，BMW Group 已將機械手臂整合到現(xiàn)有工作流程中，以生產(chǎn)汽車的加固側(cè)梁，目的是將需要精準度的重復(fù)性任務(wù)從操作人員手中接手，否則操作人員很難在整個工作班次中維持精準度。這項任務(wù)是將許多金屬強化板，沿著框架的幾個點放置，再將框架推入自動化焊接站。然而，隨著時間的流逝，重復(fù)執(zhí)行這種簡單的定位工作會使操作人員疲勞，從而導(dǎo)致錯誤增加，產(chǎn)量減少。

BMW 將機械手臂安插到這項作業(yè)中，在操作人員清點出正確數(shù)量的強化板并將其交給機器人后，讓機器人專門負責(zé)正確定位強化板的任務(wù)。整個工作流程不需要其他變更。但是，在機器人扛下操作人員的精準放置任務(wù)后，即可減少疲勞所造成的錯誤，并確保整個工作班次都維持在該有的產(chǎn)量。機器人具有安全功能，因此能與操作人員并肩工作，而不需要變動工作空間。

結(jié)論

工業(yè)機器人以往一向被視為大型工業(yè)設(shè)施的專屬工具，主要原因在于成本、復(fù)雜性和安全性。然而，重復(fù)性任務(wù)的類型不斷增加，從簡單的定位到復(fù)雜形狀的噴漆等，采用小型工業(yè)機器人的經(jīng)濟效益可行性也越來越高。

由于空間需求不大、編程簡單、成本不斷下降，而且能輕松安全地整合到以人為中心的既有工作流程中，而無需實體屏障，因此此類機器人可順利加入工作團隊而不會造成中斷。如今，工業(yè)自動化已不再只適用于高產(chǎn)量、資金充裕的大型企業(yè)，小型工廠也能使用機械手臂。