協作機器人

協作式機器人（collaborativerobot）簡稱cobot或co-robot，是設計和人類在共同工作空間中有近距離互動的機器人。到2010年為止，大部分的工業機器人是設計自動作業或是在有限的導引下作業，因此不用考慮和人類近距離互動，其動作也不用考慮對於周圍人類的安全保護，而這些都是協作式機器人需要考慮的機能。

協作式機器人是在1996年由伊利諾州西北大學的教授J.EdwardColgate和MichaelPeshkin所發明的。有一份1997年的美國專利描述協作式機器人是“人類和電腦控制的通用機器人之間的直接物理互動的設備及方法。”

1994年時通用汽車機器人中心的通用汽車計劃，以及1995年通用汽車基金會的研究資助計劃，目的都是想找讓機器人（或類似的設備）有足夠安全性，可以和人類協同工作的方式，其結果就是協作式機器人。第一個協作式機器人確保人體安全的方式是它沒有原動力，其原動力是靠工作人員提供。第一個協作式機器人是用轉動酬載的方式和工作人員協同作業，來用電腦控制運動。後來的協作式機器人也只提供少量的原動力。

通用汽車用“智能協助裝置”（IntelligentAssistDevice，IAD）一詞來代替協作式機器人，特別是在物料搬運以及汽車組裝作業中會使用此一詞語。2002年時提出了智能協助裝置安全性標準的草稿。2016年時發行了更版的安全性標準。

Cobotics也在2012年發表了許多型號的協作式機器人。

丹麥公司UniversalRobots在2008年發表他們的第一個協作式機器人系列UR5。2012年發表UR10協作式機器人，2015年則發表了桌上型的協作式機器人UR3。KUKA的協作式機器人LBRiiwa是和德國航空太空中心長期合作的結果，美國公司RethinkRobotics則是在2012年提出其工業協作式機器人Baxter。

FANUC在2015年提出他們的第一款協作式機器人，FANUCCR-35iA酬載有35公斤，後續也有較小型的協作式機器人，例如FANUCCR-4iA,CR-7iA及CR-7/L長機械手臂版本。

2015年國內機器人廠家新松機器人推出國內首台7自由度協作機器人。

Cobots有許多不同的角色，包括在辦公室環境下可以和人類一起工作的自動化機器人，到已經沒有防護罩的工業機器人，可以在有人類出現時依照ENISO10218orRSABSR/T15.1的要求進行反應及互動。

人機協作給未來工廠的工業生產和製造帶來了根本性的變革，具有決定性的重要優勢：

①生產過程中的靈活性最大。

②承接以前無法實現自動化且不符合人體工學的手動工序，減輕員工負擔。

③降低受傷和感染危險，例如使用專用的人機協作型夾持器。

④高質量完成可重複的流程，而無需根據類型或工件進行投資。

⑤採用內置的感測系統，提高生產率和設備複雜程度。

基於人機協作的優點，順應市場需求，更加靈活的協作型機器人成為一種承擔組裝和提取工作的可行性方案。它可以把人和機器人各自的優勢發揮到極致，讓機器人更好地和工人配合，能夠適應更廣泛的工作挑戰。

協作機器人的主要特點有：

1.輕量化

使機器人更易於控制，提高安全性。

2.友好性

保證機器人的表面和關節是光滑且平整的，無尖銳的轉角或者易夾傷操作人員的縫隙。

3.感知能力

感知周圍的環境，並根據環境的變化改變自身的動作行為。

4.人機協作

具有敏感的力反饋特性，當達到已設定的力時會立即停止，在風險評估后可不需要安裝保護欄，使人和機器人能協同工作。

5.編程方便

對於一些普通操作者和非技術背景的人員來說，都非常容易進行編程與調試。

智能製造的發展離不開機器人。發展智能機器人是打造智能製造裝備平台、提升製造過程自動化和智能化水平的必經之路。

1959年，美國人製造出世界上第一台工業機器人，此後，機器人在工業領域逐漸普及開來。隨著科技的不斷進步，特別是工業3.0的到來，廣泛採用工業機器人的自動化生產線已成為製造業的核心裝備。

但是，在智能製造時代，為了應對消費者日益增長的定製化產品的需求，智能工廠需要在有限空間內，充分利用現有資源，建設靈活、安全、可快速變化的智能生產線，為適應新產品的生產，更換生產線，縮短產品製造時間，需要靈活快速的生產單元來滿足這些需求，並提高製造企業產能和效率，降低成本。因此，智能機器人會成為智能製造系統中最重要的硬體設備。某種意義上說，智能機器人的全面升級，是新一輪工業革命的重要內容。但在某些產品領域與生產線上，人力操作仍不可或缺，比如裝配高精度的零部件、對靈活性要求較高的密集勞動等。在這些場合人機協作機器人將發揮越來越大的作用。

所謂的人機協作，即是由機器人從事精度與重複性高的作業流程，而工人在其輔助下進行創意性工作。人機協作機器人的使用，使企業的生產布線和配置獲得了更大的彈性空間，也提高了產品良品率。人機協作的方式可以是人與機器分工，也可以是人與機器一起工作。

不僅如此，智能製造的發展要求人和機器的關係發生更大的改變。人和機器必須能夠相互理解、相互感知、相互幫助，才能夠在一個空間里緊密地協調，自然地交互並保障彼此安全。

在製造業轉型升級的時代洪流中，智能機器人將越來越深入我們的工作與生活。如果忽視了智能機器人的研發與推廣，整個《中國製造2025》發展戰略可能會從根基上動搖。而人和設備、機器在一起工作的人機協作模式，可以提高企業效率、加強質量控制、增強生產的靈活性，可以減少物流線的成本，讓製造企業更靠近市場。機器人是智能製造的支撐設備，而人機協作將成為下一代機器人的本質特徵。

人機協同系統經歷了遙步積累、漸進發展的歷程，尤其是最近的30年，隨著人工智慧的不斷發展，人機協同系統也步入了發展的“快車道”。人機協同系統經歷了數十年的發展，在很多領域已經取得了良好的應用效果與經濟效益。以下，以新近出現的協同式專家系統、計算機集成製造系統為例來進行說明。

協同式專家系統

當前存在的大部分專家系統(計算機等)，在規定的專業領域內，它是一個“專家”，但一旦超出特定的專業領域，專家系統就可能無法工作。協同式專家系統正是為了克服一般專家系統的局限性而逐漸發展起來的。20世紀80年代中葉，隨常識推理和模糊理論實用化及深層知識表示技術的成熟，專家系統開始向著多知識表示、多推理機的多層次綜合型轉化。協同式專家系統立足於糾正傳統專家系統對複雜問題求解的簡單化，開始追求深層解釋和推理，實現原則是技術互補，起始於單純的知識表示和推理方法的結合，並逐漸發展到專家系統結構上的綜合。

該系統能綜合若干個相近領域或一個領域多個方面的分專家系統相互協同工作共同解決一個更廣泛的問題。在研究複雜問題時，可將確定的總任務分解成幾個分任務，分別由幾個專家系統米完成。各個專家系統發揮自身的特長，解決一個問題再進行子系統的協同，確保專家系統的推理更加全面、準確、可靠。協同式專家系統協同推理解題的過程可分為四個階段：問題劃分、子問題的分配、核心子間題求解和推理結果的綜合。這四個階段是遞歸的，對於非核心子問題需維續這一過程，而且可能反覆“遞歸-回潮”，直到問題解決為止。協同式專家系統廣泛應用於醫療領域，當今的器性腫疾病包括多種，肺癌、胃癌、肝癌、食道癌、鼻咽癌、白血病等。如果針對每一種悉性腫指開發一款專家系統，那麼這樣的專家系統就只能輔助診斷一種癌症：這顯然是人力與資源的浪費。專家們開發出了“沃森醫生”(DoctorWatson)及“十大常見惡性腫瘤診療專家系統”等協同式專家系統，可很好地輔助醫生們診斷出各種不同的癌症，並給出相應的治療方案醫生與專家系統(計算機等)相互協同，不僅節約了醫生的時間與精力，而且極大地提高了診斷的準確率，取得了良好的效果。此外，協同式專家系統也廣泛應用在醫療診斷、天氣預報、化學工程、金融決策、地質勘探、語音識別、圖像處理等領域。

計算機集成製造系統

人機協同系統也已經應用在現代製造業中，並取得了很好的成效。在現代製造業中，計算機集成製造系統正在迅速發展起來。計算機集成製造系統由美國學者哈林頓(JosephHarrington)於1973年首次提出，指的是綜合運用現代管理技術、製造技術、信息技術、系統工程技術等，將企業生產全部過程中有關的人、機(計算機、生產及控制設備等)有機集成並優化運行的複雜的大系統。在這樣的系統中，人與機器配合工作，各司其職。人主要從事感知、推理、決策、創造等方面的工作；機器則在生產過程的實施與控制方面發揮作用，或者從事由於生理或心理因素人們無法完成的工作。在最近的幾十年中，尤其是自1990年之後，美國、西歐、日本、韓國及中因的多家化工、鋼鐵及機械製造等企業紛紛採用了計算機集成製造系統。據調查表明，多家企業在採用了計算機集成製造系統之後，明顯地提高了生產效率、產品質量與設備利用率，並顯著地減少了工程設計量，縮短了生產周期，取得了良好的經濟效益。以工業生產領域的協同機器人的任務完成過程為例來進行說明。協作機器人旨在協助人類並與人類一同作業且無須使用安全圍欄進行隔離，解決人類較難以達成的精確度或讓人類遠離危險的環境和工作，協作機器人具有協作性、安全性、快速學習、適應能力強、高效和低成本等特點。據國外相關統計數據顯示，2014年，協作機器人市場規模約為1億美元，目前正以每年50%的速度增長。預計到2020年，機器人將形成“人機共融”的新局面。

人類的生產經歷了全手工勞動，到半自動、全自動等生產模式，未來必將走進人與機器人的協作時代，並且成為一種常態的工作模式。今天，可能只在生產線的上下料等上下游使用機器人，在裝配過程中，採用手工來裝配，配合輸送帶系統，追求單元的精益生產。未來，在生產線中，人與機器人將實現混合搭配，協作型機器人將使用多功能的爪鉗，採用引導式的高效編程，提高整個裝配系統成本竟爭力。多自由度運動學元余機械手與人類一起工作，它們緊湊運動不擾亂工人工作。未來的協作機器人在人機的工作分配方面，將簡單重複、勞動強度大的勞動留給機器人，複雜的智力勞動留給人類自己，協作機器人正在打破傳統機器人的桎梏，在追求低價、高效、安全和生產多樣化的今天或將起一場製造業機器換人的風暴。

雖然當前人機協同系統已經廣泛應用在生產生活等各個方面，已經或正在改變人類的認知世界和改造世界的方式。然而，關於其本身的協同決策及任務有效分配問題的研究卻相對比較少，人機協同系統也面臨知識獲取的技術困境及社會問題。把握人機協同系統的發展趨勢與對人工智慧的理解存在著一定的關聯。人機協同系統的發展，已經很好地實現了或正在實現弱人工智慧並取得了豐碩的成果，如目前的各種專家系統。在諸多人機協同系統中，計算機已經很好地完成了人們分配和指定的計算與推理任務，在很大程度上解放了人們的雙手和大腦。

強人工智慧仍面臨很多哲學和現實問題，但是人工智慧專家仍在積極努力探索，試圖突破各種局限。隨著強人工智慧的發展，人機推理系統也將不斷地發展，將更好地替代人們的工作，把人們從繁重的工作中進一步解放出來，不久的人機協同系統必將實現。

①人機友好協作。自動化過程仍然需要人，人作為解決方案的一部分，現有的技術不能完全自動化。一個完整的人機協作系統具有更簡單的編程，意味著工廠不需要許多工程資源。

②更有效和更美好。安全風險最小、作業空間緊的自動化使得工廠更容易，利用現有場地進行有效生產，人機混搭的協作裝配線使得生產節奏更快、更有效。

③質量更高，浪費更少。人和機器人協同工作超越了人類自身可達的工作精度與速度，使產品質量更高、浪費更少。

④簡化編程技術。引領編程技術，有別於傳統複雜性編程。任何人都能掌握無須特殊培訓或擁有編程技能。