协作机器人 (cobot)

协作机器人 (cobot) 全球各地的工厂车间正在经历几十年来最重大的变革，制造商们正在竞相以大规模的方式将人类的灵巧性与机器人的精确度结合起来。从电子产品组装到汽车生产行业，各大企业都在部署新一代机器人系统，这些系统旨在与人类工人一起安全工作，而非取代人类工作岗位。协作机器人（通称“cobot”）代表了自动化部署方式的根本性转变，可实现以人为中心的灵活生产环境，这是传统工业机器人无法做到的。

什么是协作机器人？

协作机器人是指与人类工人共享工作空间并与人类工人进行直接、近距离交互的机器人系统，工作时无需防护笼或屏障。与那些在隔离环境中运行的传统工业机器人不同，协作机器人内部集成了力传感、碰撞检测和多级安全系统，当检测到附近有人类存在时，这些系统可确保协作机器人减速、停止，或者切换到保护模式。

在工业自动化领域，协作机器人属于一种独特的类别。它们的设计目标主要是灵活性：只需几小时即可部署，而非数周；可通过拖拽式示教界面进行编程；能够适应不断变化的生产需求；无需进行大量重新配置。在机器学习和先进视觉系统驱动下，协作机器人的智能水平日益提高，其控制器越来越需要强大的内存和存储能力，以处理实时传感器数据、视觉缓冲、安全逻辑和连接需求。

协作机器人是如何工作的？

协作机器人在工作时会通过内部集成的传感器来持续监控其周围环境，并实时执行安全响应操作。其控制系统结合了力/力矩反馈、视觉感知和运动规划，使人机能够在共享作业空间内协同作业。

其关键组件和机制包括：

• 力/力矩传感：协作机器人可检测腕部的接触力，从而实现柔顺的运动、完成精确的插装任务，以及确保安全的碰撞响应。
• 视觉系统：利用 2D 和 3D 相机，协作机器人能够定位物体、扫描条形码、执行缺陷检测，并完成非结构化环境下的料箱抓取。
• 分级安全运动控制：分级碰撞保护系统可同时监控多个安全等级下的速度、间距和力限。
• 拖拽示教编程：操作员手动引导协作机械臂沿所需路径移动；系统会自动记录并重现该轨迹，操作人员无需具备编程专业知识。
• 工业连接：通过 EtherCAT 现场总线和以太网协议（TCP/IP、Modbus-TCP 等），协作机器人可与制造执行系统 (MES)、传感器和可编程逻辑控制器 (PLC) 集成在一起。
• 嵌入式控制器：协作机器人的机载控制器依赖于工业级内存和数据存储，用来处理确定性实时操作系统 (RTOS) 工作负载、视觉数据缓冲，以及长达 10 年以上的生命周期内的操作日志记录。

如何进行协作机器人编程？

协作机器人编程是指教导协作机器人如何执行特定任务的过程，例如装配、检测、包装或物料搬运等任务。与通常需要专业编程技能的传统工业机器人不同，许多协作机器人的设计旨在让普通操作员也能快速完成编程，无需专业的机器人编程经验。

大多数协作机器人可以使用图形界面、拖放式工作流工具或者通过手动引导（操作员在真实环境中移动机械臂来完成所需动作）进行编程。机器人会记录过程中的位置和动作，然后以同样的速度和精度来重复这些动作。更高级的应用可能会集成机器视觉、传感器和 AI，以帮助协作机器人识别物体、适应不断变化的外部环境，或者做出实时决策。

完成编程之后，协作机器人的控制器将协调其运动、传感器输入和安全功能，从而与人类员工一起执行任务。通过将易用性、灵活性和自动化相结合，协作机器人能够切实应用于各种领域，例如制造业、物流业、医疗保健和实验室环境等。

人机协作的级别有哪些？

国际机器人联合会 (IFR) 定义了四个级别的人机协作，其范围从简单的共享工作空间，到实时动态交互。了解这些级别，有助于制造商为其特定应用选择合适的协作机器人配置、安全架构，以及内存和计算基础设施。

1. 共存

共存是人机协作的基础级别：人类与机器人共享同一个物理空间，但在操作时没有共享的工作区域或直接交互。机器人独立执行任务，人类在附近工作；虽然无需安全围栏，但两者的工作流程不会交叉。

这种级别常见于正在从全封闭式工业机器人向协作机器人过渡的设施中。这种配置能立刻节省占地空间，消除限制工作流程灵活性的物理屏障，同时保持人和机器在执行任务时的明确分离。这种级别通过接近传感器和速度监控来确保安全，而非通过物理围栏。

• 典型应用：平行装配站、相邻检查工作流、人机共享生产车间布局
• 关键安全机制：速度和分离监控——当人类接近机器人的操作区域时，协作机器人会降低速度
• 控制器要求：中等——具备标准 RTOS 工作负载的实时运动控制和接近感知

2. 顺序协作

在顺序协作中，人类主动与协作机器人共享同一个工作空间，但会在不同的时间段中与同一个部件或工作站进行交互，绝不会同时去操作同一个部件或工作站。其中一方完成任务并离开后，另一方才会开始工作，从而形成一种结构化的交替工作节奏。

通过让工人专注于从事需要人工判断的步骤（例如质量验证或复杂的定向任务），同时让协作机器人处理重复性的上游或下游任务，这一级别可显著提升生产力。精确的排序逻辑以及可靠的数据存储，能够确保在每个生产周期中都能持续保持准确的交接状态。

• 典型应用：机床上下料、配料和装配准备、“先检测然后包装”等工作流程
• 关键安全机制：与安全等级匹配的监控停止——当人类进入共享工作区域时，协作机器人停止运行，在人类离开后恢复运行
• 控制器要求：中到高——交接状态管理、周期记录以及传感器协调，需要持久耐用的工业存储

3. 协作

协作代表了复杂性方面的显著提升：人类和协作机器人同时对同一部件进行作业，两者同时处于运动状态。这一级别要求协作机器人能够根据人类工人的实时动作，持续调整其力度、速度和路径。

协作级别可支持人类和机器人均无法单独完成的人机工作流程——例如需要双人协作的大型部件组装，或者由人类引导定位、协作机器人施加受控扭矩的精密操作。这一级别的计算需求要高得多，需要低延迟的传感器数据融合传输、快速的内存访问，以及性能强大的嵌入式存储，以确保可持续且具备确定性的控制循环。

• 典型应用：大型面板组装、引导式焊接、复杂夹具对齐、人机工程学辅助升降任务
• 关键安全机制：功率和力限制——协作机器人在整个协作任务中持续进行监控，并将接触力限制在安全阈值内
• 控制器要求：高——同步传感器融合、力-力矩处理和实时路径自适应，对工业级 DRAM 和存储的性能要求很高

4. 响应式协作

响应式协作是协作机器人的最高级别，在此级别中，协作机器人能够对人类工人的实时移动做出动态且持续的响应，无需预定义的交接点或固定操作序列，可实时调整其轨迹、速度和行为。人类和机器人就像真正的合作伙伴一样同时工作，协作机器人能够预测并响应人类的意图。

该级别极大地依赖于人工智能和机器学习来解读人体动作、预测后续行动，并需要在几毫秒内执行自适应响应操作。机载控制器必须处理连续的多模态传感器流（视觉、力、接近度和位置），同时保持实时安全合规性。具备纠错码 (ECC) 功能的工业级内存和高耐用性存储，对于在长生产轮班和多年期运营寿命中可靠地维持此级别的性能水平至关重要。

• 典型应用：自适应人工引导装配、实时人体工程学支持、AI 驱动的协作检测
• 关键安全机制：完整的多模态传感器融合，结合 AI 驱动的运动预测，以及分级力响应能力
• 控制器要求：极高——连续的 AI 推理、多传感器数据处理，以及确定性实时控制，需要极高水平的内存带宽、ECC 可靠性和存储耐用性

协作机器人的发展历史是怎么样的？

在传感器技术、AI 和嵌入式计算持续进步的推动下，协作机器人已从早期的研究原型，演变为在工业自动化中占据商业主导地位的细分领域。

• 20 世纪 80 年代：出现能够检测力并可进行手动引导的柔顺机器人的理论基础，最早在斯坦福大学创立，随后在德国航空航天中心得到完善。
• 1994-1996 年：通用汽车的一项倡议促使西北大学的 J. Edward Colgate 和 Michael Peshkin 教授发明了协作机器人；“协作机器人”专利于 1997 年申请。
• 2002 年：机器人工业协会发布了针对智能辅助设备的首份安全标准草案 (RIA BSR/T15.1)。
• 2011 年：美国国家标准学会 (ANSI)/RIA R15.06 机器人安全标准更新，旨在与国际标准化组织 (ISO) 的 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 标准统一。
• 2016 年：ISO/TS 15066 发布，为协作机器人安全要求和四种协作操作模式提供了首个专门的技术规范。
• 2025-2026 年：ISO 10218-2:2025 整合了 ISO/TS 15066 中的要求，并反映了业界的一项共识，即安全不仅取决于机器人的类型，更取决于应用场景。全球协作机器人市场规模估计达到 28 亿至 36 亿美元，年增长率超过 20%。

协作机器人的主要类型有哪些？

协作机器人可根据负载能力、应用等级和环境防护等级进行分类。这种分类法使制造商能够为其特定的生产环境（比如精密电子组装、重型产品工业码垛等）选择合适的系统。

1. 按负载能力分类

• 轻型（≤6 千克）：针对电子组装、螺丝拧紧、贴标和质量检测等任务进行了优化；在全球安装总量中占据主导地位。
• 中型（6-12 千克）：适用于范围广泛的通用工业任务，如焊接、机床上下料和码垛等；是需求量最高的细分市场。
• 重型（>12 千克）：支持大型部件搬运和高难度加工；机型负载可达 30 千克，工作时的触及范围可达 1,800 毫米。

2. 按应用等级分类

• 消费级：适用于服务场景（餐饮、零售、养老照护等）的高性价比系统；通常具有 IP66 防护等级。
• 工业级：适用于汽车零部件、电子产品和通用机械加工的高速、高精度系统；具备 IP54-IP65 防护等级。
• 汽车级：根据国际汽车工作组 (IATF) 16949:2016 标准制造，确保在严格的质量公差下实现可靠、长寿命运行。
• 防爆：经过认证，适用于危险环境（气体、粉尘、易燃材料）；具有 IP68 防护等级及 ATEX/IECEx 认证。
• 极限温度——设计运行温度范围为 -30℃ 至 80℃；部署于冷链仓储、热锻造及类似环境中。

协作机器人有哪些用途？

协作机器人广泛部署于各个行业和各种应用领域，用于实现重复性、人体工程学挑战性或精度关键型任务的自动化，同时让人类能够专注于需要判断能力、解决问题能力和创造力的任务。

1. 制造与组装

协作机器人广泛应用于制造环境中，用来支持装配和生产流程。在电子制造业中，协作机器人在半导体和印刷电路板 (PCB) 生产线上执行精密螺丝拧紧、元件贴装和质量检测等任务。在汽车制造业中，协作机器人与员工一起工作，在混合车型装配线上处理紧固、焊接、喷漆和部件搬运等工作。协作机器人还经常用于机床上下料，自动执行计算机数控 (CNC) 机床、注塑设备和冲压机装卸任务，可提高设备利用率，减少停机时间。

2. 质量检测与测试

许多协作机器人配备了先进的视觉系统和 AI 软件，能够实现自动化质量控制。这些系统能够识别表面缺陷、不一致或产品间的差异，这些检测工作若由人工完成，需要大量时间和精力。此外，协作机器人还可以利用力和扭矩传感器执行精确的测量和测试程序，确保产品符合质量标准，同时保持一致的接触力和可重复的结果。

3. 物流与仓储

在仓库和配送中心，协作机器人有助于简化物料搬运作业。它们经常被用于码垛和拆垛，通过自动化的产品堆叠和卸堆，来减少重复性的搬运任务。配有视觉引导的协作机器人还可用来执行抓取和放置操作，在动态变化的环境中识别并处理物品，从而支持订单履行和库存流转。

4. 医疗保健和实验室操作

在对精度和一致性要求极高的医疗保健和实验室环境中，协作机器人的应用越来越广泛。在药房中，协作机器人能够以高可重复性完成药品的分类、配发和整理等工作。在临床和研究实验室中，协作机器人可协助进行样本处理和制备，在降低污染风险的同时，能够最大限度地减少可能导致操作员疲劳的重复性任务。

协作机器人的未来发展方向是什么？

协作机器人的未来发展，不仅仅是提高机械精度。未来的协作机器人将变得更加自主，并由 AI 驱动；它们必须在与人类员工并肩工作的同时，持续处理来自摄像头、传感器和互联工厂系统的数据，并做出实时决策。这些日益增长的计算需求需要先进的内存和存储解决方案，以支持低延迟性能、数据完整性，以及更长的使用寿命。作为内存和存储创新领域的先行者，美光致力于提供基础性技术，让现代制造环境中的协作机器人变得更智能、更安全、功能更强大。