协作机器人执行码垛应用。（图片来源：斗山机器人）

在过去的几年里，你可能见过协作机器人（cobots）在仓库里堆垛托盘，在快餐连锁店里制作薯条。如今的协作机器人已经足够强大，可以精确地处理重达 55 磅的有效载荷，并且足够安全，可以与人类工人并肩作战。在协作机器人不断学习执行更复杂任务（如配置应用程序）的同时，人机界面（HMI）也变得更加简单。设置可以在很短的时间内完成，带有触摸屏和直观编程功能的类似 PC 的平板电脑使员工很容易学会该系统。

当然，要充分利用 cobot 的优势，还需要为工作选择合适的 cobot。本文将讨论为您的制造应用选择 cobot 的五个关键考虑因素。

功能性

在制造业中，cobot 可执行拾放、码垛、装配、焊接和机器操作等任务。在选择过程中，首先要了解 cobot 将执行的任务的参数。cobot 的运动是基于固定的重复运动，还是基于传感器输入的可变运动？运动速度有多快？cobot 可操作的空间有多大？所需的具体运动类型将确定所需的轴或关节数量。是否需要与人类直接互动？例如，在码垛应用中，cobot 是直接将货物从生产单元卸载到托盘上，还是卸载到中转区？是否需要旋转要码垛的物品？发现这些信息后，我们就可以做出决定，确定特定的 cobot 配置和接口，以满足预定操作人员的需要。

确定尺寸

设计最佳 cobot 系统所需的重要因素包括有效载荷的大小和重量、预期到达距离、可重复性要求和可用占地面积。载荷极其重要，因为它会影响整个 cobot 组件，而重量和触及范围要求则决定了适当控制有效载荷所需的关节尺寸和数量。

机器人各部分（腰部、肩部、肘部、腕部和末端执行器）的运动任务和设计决定了关节电机的扭矩和速度要求，以及关节间手臂的长度。有效载荷越重，伸展距离越长，实现最佳运动所需的扭矩就越大。cobot 的可重复性确定了机器人每次被要求移动到目标位置时能够达到的接近目标位置的程度。

重复性由相对于目标位置的正负值来表示，该值越小，重复性越好。必须考虑机器人整个移动过程中的可用占地面积。在前面提到的码垛应用中，需要考虑每个待码垛物品的重量和形状，以及抓取机构的重量。被拾取物品从工作单元到托盘的移动距离以及托盘的宽度将决定 cobot 的触及范围。最后，工作单元将物品运送到托盘站的预期速度将决定 cobot 抓取和放置物品的速度。

机器人设计人员收集这些具体信息，分析与所需运动相关的运动学。逆运动学分析具体的运动路径，并确定每个可变关节的参数，以实现末端效应器的位置和方向。计算会审查影响各关节加速度要求的惯性要求、与各关节电机相关的扭矩和速度参数以及运动的几何形状。当末端效应器移动到所需位置时，关节间元件的长度决定了每个关节上的力矩负荷。这些计算的基础是 Denavit-Hartenberg 参数，其中包括

沿前一个 Z 轴（旋转轴）到公共法线（X 轴，即下一个关节的 Z 轴）的偏移量

从旧 x 轴到新 x 轴与前 z 轴的夹角

共同法线的长度（假定是一个旋进式关节，则为围绕前一个 z 轴的半径），围绕共同法线的角度，从旧的 z 轴到新的 z 轴。

图 1. 为斗山 M/H/A 协作机器人系列定义的参数和重心 (COG)。（图片来源：斗山机器人）

这些参数（图 1）通常由协作机器人制造商提供，还包括关节和连杆质量以及相对于基面坐标的重心位置的详细信息。

兼容性

虽然协作机器人可以独立于任何其他系统运行，但它们通常在其他设备的网络中使用。许多工业设备利用通用通信协议，使其能够在通用网络上运行。协作机器人的控制系统必须具有正确的“挂钩和手柄”，以便与工厂内的任何 PLC、HMI 或其他电子设备进行通信。

物联网是另一个概念，它确定协作机器人如何通过互联网进行远程通信，可能与工厂中的其他类似协作机器人进行通信。在工厂加工区域，协作机器人可用于协助机器操作员将材料装载到机床中。理想情况下，机床将与协作机器人进行通信，以指示何时需要新的毛坯或何时准备好移除成品零件。协作机器人需要通过公共总线网络进行通信并共享相同的通信协议（例如，EtherCAT、Sercos、Profinet 或类似协议）。

使用方便

由于协作机器人按照设计是在制造环境中与人类协同工作，因此它们必须易于各种技能水平的工人操作。过去十年来，为协作机器人设计的软件解决方案取得了长足的进步。

图 2. 正在对协作机器人进行教学。（图片来源：斗山机器人）

协作机器人界面（图 2）的设计应为人类操作员提供直观且易于学习的图形用户界面。

协作机器人的目的是协助操作员（例如焊工）操作焊接机。经验丰富的焊工需要在不深入了解其每个元件的情况下操作协作机器人。选择可以利用焊接专业知识进行预编程的协作机器人将更容易过渡到工作单元。

安全特性

在选择任何协作机器人时，安全性至关重要。由于协作机器人在共享空间中与人类协作，因此它们必须配备许多固有的安全功能。彻底的风险评估对于确定特定的协作机器人设计是否满足预期的安全需求至关重要。典型的安全功能包括基于集成到设计中的传感器来防止过大的力、扭矩或速度的限制。安全运动配置由安全风险评估的结果决定，该评估定义了与特定安全事件相关的停止模式。

许多协作机器人控制器允许创建特定的安全区域，在其中激活预先确定的操作，例如降低速度、降低扭矩限制或其他避免碰撞例程。由于协作机器人应用中人类的距离很近，因此系统设计人员必须进行彻底的安全分析，并且必须纳入适当的安全运动和安全机器 SIL 建议。ISO/TS 15066 提供了协作工作空间的设计和实施指南（图 3）。

图 3. 协作机器人满足 TUV SUD 认证的基本安全措施。（图片来源：TUV SUD）

码垛应用中的移动协作机器人

在码垛示例中，要考虑的组件取决于所需的码垛操作。考虑协作机器人将执行的功能，包括如何装载或卸载产品、将协作机器人定位在哪里，以及将使用哪些传感器技术进行运动和产品定位。在此示例中，最大有效负载高达 55 磅，所需范围为 1.7 m。包裹拾取装置将是一个重量约为 6.5 磅的轻型真空夹具。协作机器人将使用 Windows 操作系统下的可触摸 PC。

该软件必须包括具有简化 GUI 的特定码垛应用程序。垂直提升系统应包含伺服执行器，并且将添加轮子以为协作机器人提供移动元件。具有 3 个自由轴（上、下、左、右）的雷达传感器将用于距离检测，以增强安全性。这个特定于应用程序的需求集合开始涵盖功能、规模和易用性考虑因素。兼容性元素将与 PC 操作以及 PC 操作如何联网到工厂操作相关。

最重要的考虑因素是安全。本例中的安全风险评估可以考虑下面的停止事件和安全条件。

SIL3、PL e CAT4，包括安全扭矩关闭 (STO)、安全制动控制 (SBC) 和紧急停止。

SIL2、PL d CAT3，包括工具中心点 (TCP)/机器人位置限制、TCP 方向限制、TCP 速度限制、TCP 力限制、机器人动量限制、机器人功率限制、碰撞检测、安全 I/vO 和反射停止。

所有这些安全事件均根据相应的 IEC 或 ISO 标准进行测试，结果由机器安全专家进行认证。在将协作机器人投入生产之前，需要一份证明协作机器人已满足所有适用安全标准的文件。

协作机器人在补充劳动力方面继续发挥着关键作用。它们在应用中的使用可以提高生产并使工作环境对人类来说更安全。在将协作机器人设计到应用程序中时，遵循这些关键考虑因素将带来成功的实施和丰厚的投资回报。