1 現(xiàn)狀分析 

1.1 傳統(tǒng)機(jī)器人的現(xiàn)狀 

首先，傳統(tǒng)機(jī)器人部署成本較高。單獨(dú)的普通工業(yè)機(jī)器人無法直接用于生產(chǎn)線上，一條可靠的自動(dòng)化生產(chǎn)線需要很多外圍設(shè)備支持，然而這些外圍設(shè)備控制系統(tǒng)又由很多軟硬件組成，投資成本較高，后續(xù)涉及生產(chǎn)線的更改，改動(dòng)時(shí)間、難度以及費(fèi)用都較高。 
其次，傳統(tǒng)機(jī)器人無法達(dá)成中小企業(yè)的訴求。 
如本文背景所述，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的目標(biāo)市場是可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)，而中小企業(yè)主要以小批量、定制化及短周期為特征，這樣就要求機(jī)器人具有較低的綜合成本、快速部署及重部署的能力以及簡單上手的使用方法，這些對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人來講較難實(shí)現(xiàn)。 
最主要的是，傳統(tǒng)機(jī)器人適應(yīng)不了新興的協(xié)作市場的需求。隨著人力成本的上升，很多以前沒有或很少使用機(jī)器人的行業(yè)，開始尋求機(jī)器人自動(dòng)化的解決方案。比如要完成一項(xiàng)綜合性的工作，由人類負(fù)責(zé)對(duì)柔性、觸覺及靈活性要求比較高的工序，機(jī)器人則利用其快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)來負(fù)責(zé)重復(fù)性的工作，如果二者要合作，以安全為本出發(fā)，人還要先通過安全門，確保人和機(jī)器人不進(jìn)入同一空間內(nèi)而發(fā)生接觸，這樣，整體的工作效率優(yōu)勢并不明顯好于單獨(dú)使用人。由此，就產(chǎn)生了機(jī)器人要具有安全的人機(jī)協(xié)作特性的業(yè)務(wù)需求。 

1.2 協(xié)作機(jī)器人的研發(fā)狀態(tài) 

協(xié)作機(jī)器人無需嚴(yán)密的安全設(shè)施和復(fù)雜的控制監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用范圍靈活，可以獨(dú)立使用也可以輔助人類進(jìn)行操作，從而更滿足新興的市場需求。 
ABB 在 2014 年推出了其首款協(xié)作機(jī)器人 YuMi，目標(biāo)市場為消費(fèi)電子行業(yè)。YuMi 在 2015 年 4 月在德國漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上推向市場。同年，庫卡發(fā)布了協(xié)作機(jī)器人 LBR iiwa，安川 Motoman 也發(fā)布了協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品 Dexter Bot，緊接著，發(fā)那科的協(xié)作機(jī)器人也在 2015 年推出面世。目前研發(fā)協(xié)作機(jī)器人的企業(yè)分成四類： 
（1） 擁有核心技術(shù)的創(chuàng)新型企業(yè)，例如丹麥 Universal Robots 的 UR 系列機(jī)器人和美國 Rethink RoboTIcs 的 Baxter 和 Sawyer 協(xié)作機(jī)器人。 
（2） 傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人巨頭，例如 ABB、庫卡等。 
（3） 互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，比如谷歌、亞馬遜等，這些企業(yè)大都具備核心技術(shù)、業(yè)內(nèi)資源、資本運(yùn)作等優(yōu)勢。 
1.3 協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展趨勢
從汽車行業(yè)來講，通過近 50 年的自動(dòng)化發(fā)展，機(jī)器人替換人的簡單勞動(dòng)已走到窮盡，后期減員增效的措施之一就是通過協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展，想方設(shè)法去分解人類復(fù)雜勞動(dòng)、應(yīng)變操作及降低操作綜合難度，理想的狀態(tài)是“人”做綜合感知類質(zhì)量判斷，而“機(jī)”做高質(zhì)量及重復(fù)性要求的動(dòng)作，達(dá)到人機(jī)協(xié)同工作的目的。 
根據(jù) MIT 研究人員在 BMW 工廠的一項(xiàng)研究，人類與協(xié)作機(jī)器人共同工作效率會(huì)比人或機(jī)器單獨(dú)工作要高，而且能減少 85%的工作空閑時(shí)間。 
在國際范圍的汽車行業(yè)內(nèi)，總裝車間率先使用協(xié)作機(jī)器人，已經(jīng)運(yùn)用協(xié)作機(jī)器人的工廠有：奧迪工廠、梅賽德斯奔馳工廠及南卡羅萊納州的寶馬工廠等。 
未來，協(xié)作機(jī)器人是“中國制造 2025”和德國工業(yè) 4.0 共同關(guān)注的方向，也被譽(yù)為工業(yè)機(jī)器人 2.0，機(jī)器人在汽車生產(chǎn)工人的身旁協(xié)同工作，機(jī)器人負(fù)責(zé)做，人負(fù)責(zé)檢查，從而產(chǎn)生極高效率的“人機(jī)協(xié)作”，這將是未來汽車生產(chǎn)減員增效的發(fā)展方向。

2 應(yīng)用可行性

2.1 協(xié)作機(jī)器人的特點(diǎn)

考慮協(xié)作機(jī)器人的布局規(guī)劃時(shí)，可以使其與人員在同一個(gè)空間工作，而不用像傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人一樣使用安全圍欄隔離開。 
考慮協(xié)作機(jī)器人的安全性時(shí)，協(xié)作機(jī)器人由其本身的設(shè)備特性保證，一旦協(xié)作機(jī)器人與其周邊的人員或物體發(fā)生觸碰時(shí)，機(jī)器人將自動(dòng)停止，不會(huì)發(fā)生人員受傷。 
考慮協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用時(shí)，其具有容易上手、調(diào)試高效等特點(diǎn)，在示教軌跡時(shí)，人員僅需握住操作手柄引導(dǎo)機(jī)器人動(dòng)作，記錄后機(jī)器人即刻自動(dòng)按軌跡動(dòng)作，比起傳統(tǒng)的機(jī)器人上手難、操作要求高，在爭分奪秒的生產(chǎn)線上更體現(xiàn)出快速調(diào)試及恢復(fù)的優(yōu)勢。 

2.2 車身車間的應(yīng)用分析 

目前汽車行業(yè)，國內(nèi)外各家汽車公司都有研究人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用。車身車間主要承擔(dān)的是焊接作業(yè)，人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，技能要求高，工作時(shí)間長，流水線作業(yè)的線體上分布著大量的工業(yè)機(jī)器人，需要重點(diǎn)關(guān)注人機(jī)交互，確保人身安全。 
使用傳統(tǒng)機(jī)器人的線體必然要使用工位圍欄物理隔絕或使用光柵等安全元件進(jìn)行安全防護(hù)，如果有方法去除這些防護(hù)設(shè)備，一方面，必然可以節(jié)省車間場地、節(jié)省外圍設(shè)備投資以及降低電氣調(diào)試難度。另一方面，通過機(jī)器人與人的協(xié)作，可以優(yōu)化人機(jī)工程，減少工作負(fù)荷，提高裝配質(zhì)量，最終達(dá)到減員增效的目的，對(duì)造車總投資又是進(jìn)一步的降低。 

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 試點(diǎn)工位選取

首先，需要尋找一個(gè)由操作工與自動(dòng)線體有交互的工位，并且操作人員本身需要承擔(dān)較多或者較復(fù)雜的工藝操作，比如手持膠槍對(duì)零件進(jìn)行涂膠的工位。 經(jīng)過對(duì)車身車間的排查分析，在底板線體進(jìn)行后輪罩涂膠上料的工位 UB090 具備試點(diǎn)的條件。該工位需要在線體兩側(cè)各配備一名操作工，先在工作臺(tái)上對(duì)左右后輪罩進(jìn)行涂膠，然后各自將左右后輪罩放到上料口。這 2 名操作工工作負(fù)荷較高，而鄰近的 UB070 門檻板上料工位的操作工也沒有富余的時(shí)間可以幫忙承擔(dān)掉涂膠工作。所以，原有狀態(tài)門檻板和后輪罩上料工位一共有 4 名操作工同時(shí)在進(jìn)行工作。 
通過上述分析，4 名操作工均有人工涂膠然后上料到線體上料口的工作，且相鄰兩個(gè)上料工位相對(duì)距離較遠(yuǎn)，工作位置間的行走距離為 15 米。從此工位著手，如果可以有設(shè)備分擔(dān)掉后輪罩人工涂膠的工作并相應(yīng)調(diào)整工位布局，即可以由 2 名操作工完成剩余的工作，實(shí)現(xiàn)減員 2 人/班。 

3.2 協(xié)作機(jī)器人引入方案 

如果使用傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，除了 2 臺(tái)機(jī)器人本體以外，需要布置圍欄和光柵把機(jī)器人工作區(qū)域與操作工隔絕開來，然而現(xiàn)有自動(dòng)工位布局已經(jīng)占滿機(jī)器人，沒有空間安置這些額外的設(shè)備。 
所以最優(yōu)的方案是通過在門檻板上料操作工身邊增加 2 臺(tái)協(xié)作機(jī)器人，無需增加工位防護(hù)即可實(shí)現(xiàn)后輪罩自動(dòng)涂膠的工藝。此時(shí) 2 臺(tái)協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)承擔(dān)了后輪罩操作工的大部分工作，同時(shí)，為減少操作工的走動(dòng)距離，我們對(duì)后輪罩上料口進(jìn)行改造，讓后輪罩上料位置更接近門檻板工位，這樣由門檻板操作工承擔(dān)掉后輪罩的上料工作，從而達(dá)到節(jié)省 2 名后輪罩操作工的目的。
此方案涉及的新增設(shè)備除了 2 臺(tái)協(xié)作機(jī)器人以外，僅有簡易的工裝涂膠臺(tái)，涉及的設(shè)備改造僅為人工涂膠槍用于協(xié)作機(jī)器人的膠槍改造，上料口方向的改造以及少許圍欄電氣輔件的微小改動(dòng)。 

3.3 方案小結(jié) 

協(xié)作機(jī)器人的引入方案，相比引入傳統(tǒng)機(jī)器人，節(jié)省了工藝占地面積，節(jié)省了光柵等電氣安全輔件和自動(dòng)涂膠照相的設(shè)備投資。 
從設(shè)備投入對(duì)標(biāo)人員投入的方面來看，按照 5 年工廠 2 班運(yùn)行的方式，每班節(jié)省 2 名操作工，扣除設(shè)備投入和維護(hù)費(fèi)用，總節(jié)省可高達(dá) 200 余萬元。 
從人機(jī)協(xié)作的發(fā)展方向來看，協(xié)作機(jī)器人作為人機(jī)協(xié)作以及有限布局空間的工藝規(guī)劃新思路，可實(shí)現(xiàn)節(jié)省自動(dòng)設(shè)備投資以及減員的目標(biāo)，將減員增效的可能性想法化為實(shí)踐的可行性方案。車身車間此次引入?yún)f(xié)作機(jī)器人，拓展了其應(yīng)用范圍，為車身車間的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝運(yùn)用積累經(jīng)驗(yàn)，為協(xié)作機(jī)器人的試點(diǎn)奠定推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。 

4 總結(jié)與展望

隨著工業(yè) 4.0 的來臨，協(xié)作機(jī)器人在汽車生產(chǎn)工人的身旁協(xié)同工作，從而產(chǎn)生極高效率的“人機(jī)協(xié)作”，這將是未來汽車生產(chǎn)減員增效的發(fā)展方向。 
本文創(chuàng)新的介紹了一種在車身車間內(nèi)使用協(xié)作機(jī)器人來減少操作工的解決方案，由機(jī)器人負(fù)責(zé)涂膠，人負(fù)責(zé)檢查質(zhì)量，從而產(chǎn)生高效的人機(jī)協(xié)作以及降低總成本。 
利用協(xié)作機(jī)器人的特性，在未來可以拓展出更多的應(yīng)用，不僅可以用于車身車間的涂膠工作，在更多人機(jī)協(xié)作、場地有限的工況下，都可以考慮讓協(xié)作機(jī)器人承擔(dān)操作工的復(fù)雜工藝。相信在自動(dòng)化設(shè)備不斷進(jìn)步的同時(shí)，車身車間的自動(dòng)化、協(xié)作化程度也會(huì)緊跟著不斷提高。