工业机器人系统集成应该掌握的要点

前言

工业机器人系统集成技术的起源,是1700年代后期到1800年代初期,当时,英国发生了第一次工业革命。煤炭,蒸汽机的动力来源和以其羊毛纺织品为基干的轻工业工厂变得更加机械化,生产技术的不断发展,工程的标准工序的设定以及生产线的设计开始走向正轨。

此外,在日本被称为工业用机器人元年的1980年,机器人系统集成技术诞生了。

工业机器人系统集成(Robot Sler),顾名思义,就是指“构建一个机器人系统”,通过这个系统,可以制作机器人相关程序,进行行为学习,在梯形逻辑理论程序中进行序列控(sequential control)和编程控制(programmablelogic controller=PLC),还可以进行电气硬件设计,加装护手、机身附带设备等机械装置。相机以及图像处理技术等。虽然具体可包含的范围目前来说还不能够准确的定义,但是机器人制造商用生产的机械手( R o b o tManipulater)构建并提供用于制造业和服务业的终端用户的机器人系统,这无疑是可以确定的Sler业可以做到的事情(照片1、图1)。


照片1 工业机器人系统集成技术


图1 机器人系统集成 [出处:NEDO机器人白皮书、P3-11、2014年]

但我认为,机器人SIer的定义将在2018年7月13日成立的FA工业机器人系统集成技术协会的努力下得到进一步明确。

FA工业机器人系统集成技术协会的设立初衷是为了解决机器人SIer不足的问题。关于这个问题,我们首先从和日本机器人工业会的系统工程师小组进行会谈而开始。虽然该工业会的主体是大型企业的机器人制造商,但作为机器人SIer企业,要想生产和培养机器人SIer,就必须要采取一些措施。

但是,由于SIer机器人企业大多是中小企业,因此我们成立协会,形成了庞大的组织,利用群众的力量来努力解决问题。

机器人SIer对技术水平的要求十分的高,就像前面提到的,所涉及的范围也很广,无论是支撑着日本制造业的高级工程师还是一般的从业人员,对机器人SIer这个职种的认知度都很低,很难确保人才。另外,因为SIer机器人企业大多是中小企业,关于IoT・AI等多种多样的高度化专业知识的学习和吸收就变得更加困难,尤其是在时间和资金方面。所以在事业化之前对企业的精力和相关环境都有着极大的考验。因此,为了打破这一难题,FA工业机器人系统集成技术协会应运而生。

系统集成的过程

在用户委托机器人SIer构建系统之后,以SIer为主体的机器人系统开始构建。在机器人系统构建过程中,大体上存在两个问题。

1.如果该机器人SIer企业是以自己独立的机器人系统构建流程以及管理标准来进行构建的话,如果没有详细的管理办法,在没有完全理解用户的意向就模糊施工,最后会形成认识上的差异,从而带来不必要的改造和计划之外的追加等需要返工的问题。

2.在进行完由机器人SIer企业负责的重要技术讨论以后,由于客户的情况,机器人系统无法引进。

这些问题说明,本来应该由机器人SIer企业来投入更多的精力,开发出更高级的具有创新性的机器人系统,随着中小机器人SIer企业资金负担的增加而变得越来越困难。。另外,由于很多合同都是以引进完毕进行验收为条件的,对于根据工程项目和其内容的完成标准进行分割验收的想法还很少,特别是返工的责任所在很不明确,很有可能会给机器人SIer企业的经营带来压力。因此,建议在机器人系统化之前实施要素技术验证(有偿),并大幅降低随后的风险。

比起技术、更加需要创意的要素技术・Best Fit Solutio对机器人系统化的门槛要高,但是要素技术的验证需要花费大量的时间,反而因为花费了时间而减少了返工的概率,机器人系统化反而更快速。

这里重要的是要进行有偿的验证。如前所述,在机器

人系统的构建过程中存在两个问题,以及,依靠有偿的要素技术验证才能解决这一问题。如果我们进行有偿的要素技术检验,它有以下优点:

<对于用户来说的优点>

①通过提炼重点可以更加明确验证内容,比系统化更为低廉,而且基本上在开发费用的范畴内就可以获得要素技术。

②验证的结果良好的话,可以按照计划继续进行,但如果出现问题,则可以根据目前的业绩,在不造成任何影响的情况下由用户一方选择选用新的方案还是进行关闭。

③即使关闭了要素技术验证,不仅仅是机器人系统化,还能得到关于其他的机器人系统化和其他生产设备导入的提示。

<对于SIer企业来说的优点>

①经营基础会稳定。

②即使是有限的人力资源,也很容易应对多个案件。

<对于用户和SIer企业双方来说的优点>

①接受了高额的机器人系统化的订货后,如果能够顺利成功固然好,但是如果失败或者产生了额外的费用,后期处理时双方都会留下芥蒂,问题就更难解决了。

②现有的技术无法完成的事情会在系统构筑中明确表示,后期高额的费用也会消失(图2)。

在要素技术验证后,利用3D立体CAD,可以浏览机器人系统的概要。参照3D立体CAD,手动控制器、照相机,机身,安全罩,传感器等已经在公司数据库建立数据的机械装置很轻松就可以成型,而且还会提供直观的产品动画,对用户来说也能够更好了解产品。

另外,机器人系统的预报价和正式的报价单都可以在订货之后开始着手。

当然,一些在要素技术验证中使用的机械装置等如果在最终的机器人系统中也能够使用的话,可以进行合理挪用。

不过做到以上这些是需要花费时间精力的,大约需要需要一年左右。在工业用机器人(机械手、控制器、Tailoring box)、直动单元、传感器等交货期较长的部件可以优先交货的情况下,这个时间也有缩短的可能性。

用户应该理解的要点

在用户引进机器人系统时,有四件事一定要事先了解。


图2  HCI的机器人系统构建过程


照片2 工业用(自动化)机械※HCI制造


照片3 吸收工业用机器人优点的工业用(自动化)机械※HCI制造

1. 机器人不是万能的

对于首次引入机器人系统的用户来说,对于机器人的印象,多少会受到平时漫画、动画、电视、电影等媒体上看到的人形机器人的影响。

比如像哆啦A梦这样的日常生活中的SF英雄形象好像任何事都难不倒它,是万能的,所以对于导入的机器人就容易产生错觉。但是,比起可以大量生产单一产品的工业用(自动化)机械,机器人系统主要用于需要多品种少量生产的产品,但是绝对不是万能的。该机器还是在根据规格制作的工业用(自动化)机械(照片2)中加入了机器人的优点的机械(照片3)。因此,最初的规格决定非常重要,无法生产出规格以外的东西。

2. 三位一体

在决定规格的时候,需要用户叙述关于自己需要的机器人系统的要求。当然,准确地叙述要求是非常重要的,但是为了实现所有的要求,必须越过技术上的障碍、价格上的障碍。如果将克服这些障碍的所有手段都交给SIer管理,就不能构筑机器人系统,价格也会不一致,出现很多令人遗憾的结果。

例如,在机械手(末端执行器)抓住物品时,容易抓握的产品形状,产品的排列方式,可以配置机械手的场所等等,都是需要用户这边来进行商讨的。小至产品的形状,如果用户提前做了设计和考量,那么机器人系统构筑就变得更加容易。在机器人制造商的角度,也更容易构建sier机器人系统。机器人编程软件的开发作为近年来的趋势,各工程都提供了包装化功能(图3)和省布线系统等机电工程方面的支持。同时,由于新的机械装置和电力控制系统的处理速度在不断提高,机械手可以进行高速运动,收缩机械臂,用更快的速度来提高生产效率。创造了更容易实现的机器人系统化的条件,降低了技术障碍、价格障碍。


图3  柔软包装的例子[出处:川崎重工业包装技术资料]

总的来说,在机器人系统的构筑中,用户•机器人SIer•机器人制造商的三位一体的合作、理解和沟通是必不可少的(图4)。


图4 用户·机器人Sler·机器人厂商之间的关系


图5 工业用机器人的种类[出处:IFR(国际机器人联盟)]

3.扩展工业机器人的种类和其包含的历史知识

机器人系统的引进是可以考虑在特殊的规格、环境下使用自定义机器人的,但是考虑到成本和交货期,大体上都是由机器人制造商生产的任一产业用机器人来构筑机器人系统。

产业用机器人的种类根据“关节的种类和构造”,可以大致分为6种,但是作为用户,最低限度,有必要预先知道其种类和要点(图5)。

・“极坐标型机器人”:产业用机器人的起源

像炮台一样中心有旋转轴,进行作业时机械臂可以上下旋转和伸缩。因为使用范围广而产业用机器人的初期得到广泛普及。作为日本产工业用机器人第1号在1969年完成的,是「川崎重工业制独特2000型」(照片4)。

・“圆筒坐标型机器人”:悠久的历史

持有旋转轴,机械臂伸缩的位置与极坐标型相似,不过,臂不是上下旋转而是上下方向移动。特征与极坐标型大体上相同,初期被广泛采用,尤其是在液晶面板方面,现在也在被大量利用。

・“直角坐标型机器人”:易懂

可以实现纵、横、高这3个方向的三维运动而不是单纯的旋转,可以像我们常玩的起重机游戏一样去运动,工作范围和设置面积都变大了,而且精度高,容易控制,常常被用在重物的搬运上。

・“垂直多关节型机器人”:任何动作都可以

近年来,最普及的类型,是最接近人的构造的工业用机器人。运动的自由度非常高,擅长需要转弯的工作。不过相应的其控制也变得比较复杂。

・“水平多关节型(彩色型)机器人”:最适合装配工序

水平方向的运动比较特别,因为关节的旋转轴全部垂直一致,所以臂的前端必须在水平面内移动。达到可以高速移动的平面位置之后,顶端部可以快速上下移动,最适合平面性的工作。尤其是在组装方面被广泛使用。

・“并行链接型机器人”:快速移动

多关节型与关节串联(串行)的类型,并行链接型被并列(并行)配置,一般用3根机械臂控制尖端部的位置,在传送带流出的食品的排列和选定方面被经常利用。虽然可动范围很小,但是各个关节可以直接控制尖端,所以可以高速移动。

机器人系统化的构建是一项大工程。需要用户提前了解一些相关知识,然后配合机器人SIer企业一起开发机器人系统。虽然机器人SIer方会提出关于方法和成本的建议,但最后还是需要用户方进行决定。希望大家在考虑到金钱的同时,齐心协力的去面对机器人系统。


照片4

如何与机器人SIer相处

日本的机器人制造厂有100家左右,机器人SIer需要从中选定对机器人系统化案件最适合的机器人。而且,机器人程序语言因为各制造厂不同,机器人SIer对于新增的机器人需要重新学习。同时,机器人制造厂如果发表新商品,也必须学习新的方法和处理机制,机器人SIer的负担很大。其中,在HCI,比起从大量的机器人制造厂中寻找机器人,更注重以作为合作伙伴的机器人制造厂作为主体,限定7家公司作为机器人SIer的主要提供者,机器人SIer则是集中精力构筑更具创造性的机器人系统。

机器人SIer的成立来源大体分为以下3种。

①作为大型汽车制造商和大型电器制造商的合作公司,成为了机器人SIer。

②之前是拥有专门技术的机械制造厂,从某时开始收购机器人,成为了机器人SIer。

③作为拥有新技术等风险企业。成为了机器人SIer。

上述根据当时的机器人系统化案件的内容,是机器人SIer选定材料的一个思考方向。

用户导入机器人系统时最重要的点是,能够选出“好的机器人SIer”吗?能够更好的交流吗?

那么,“好的机器人SIer”是指……

首先,具备以下3个条件的基本可以被定义为“好的机器人SIer”。

①机器人系统开发经验丰富

②重视生产技术等业务技术,研究具体化

③考虑系统化的稳健性(※注意工程时间轴,能否对应短交期)

对于用户来说,都倾向于选择成本最低的机器人SIer以及对于用户的任何要求都会听取,没有自己的主见的机器人SIer。但是许多案例证明,这样选择的失败的可能性十分大。

关于机器人系统的成本,大约是工业用机器人( 机械手、控制器、Tailoring box)的5~10倍左右。

当然,机器人系统的式样附带设备越多,成本越高,不过,根据HCI的经验来看,和用户如上说明基本上不会有大的问题,

同时,用户•机器人SIer•机器人制造商都是在不同的环境下从事着同样工作的人。也就是说,三家公司应该以平等的,互相尊敬的方式交流合作,会容易产生好的结果,这不仅仅是机器人系统集成,对整个工作和社会也是有益的。

并且,对于上述「好的机器人SIer」的条件①来说,机器人系统开发经验丰富的机器人SIer在日本国内有很对。这是是日本的强项,在FA -工业机器人系统集成技术协会中也有大量的会员企业拥有丰富的经验,在从事机器人系统集成上的年数达到30年以上。

机器人系统集成力成为经验值大的力量,左右着机器人系统。

从安全教育和成本的方向考虑

工业用的机器人的安全教育是非常重要。制造业的劳动灾害情况逐年减少,2016年死亡人数为160人,2016年由机器人引起的死亡人数为3人。虽然现在是零灾害的时代,但还是发生了劳动灾害。

“为了避免再次发生类似的事故,必须提前发现潜在的危险性或者有害性,并进行消除和降低”,这是风险评估的背景以及意义。日本在2006年提出了《关于对危险性以及有害性的调查方针》风险评估的实施,2011年《机械危险信息提供方针》中的残留风险部分明确表示,风险评估在劳动安全卫生规则中属于努力义务。不可以轻视努力义务。机器人SIer和用户必须共同努力学习并实施关于风险评估的研讨会和研修会等。

同时,全球安全推进机构(IGSAP)创立了的机器人•安全保障资格认证制度。主要目的是针对逐年高度化、复杂化的机器人系统,认证在机器人安全领域拥有必要的知识和能力的人才,机器人SIer•用户•机器人制造商互相合作,在确保安全的前提下开展业务项目。

很多机器人SIer企业由于用户的要求而把注意力集中在降低机器人系统的成本上,却忽视了安全性。通过降低安全性来消减成本是不可取的,机器人SIer•用户•机器人制造商应该三位一体,通过产品的设计,生产技术的改进以及固有技术和创意等方式来达到消减成本的目的。

最新趋势和今后的展望

在展示会,特别是规模大的展示会上,是寻找最新趋势的最佳场所,世界最大规模的机器人展览会的“国际机器人展”,每两年在东京国际展示场举办一次,并且已经开展了2 2届。参观者人数也在“ 2 015国际机器人展”上的121,422人,增加到“2017国际机器人展”上的130,480人,参展社数也比2017年增加了166家,每年都倍受关注。HCI曾于2015年、2017年作为三菱电机搭档SIer参展(照片5)。

2015年,展示了使用一台三菱电机制造的6轴垂直多关节机器人的“极小工件的散装式机器人系统”(照片6),2017年使用了两台三菱电机制造的6轴垂直多关节机器人(天吊型)的“多芯线束自动制造机器人”展示了Tem•检查工程AI系统,无论哪个盛况空前,人头攒动。

无线电的自动制造作为机器人系统的范畴在那时还没有被大量关注,或者说有人研究过但是还没有好的效果。不过在检查工序上搭载AI系统的机器人系统倒是十分新颖的。

在机器人制造商方面,有很多厂商展示了自己开发的AI系统,但除了HCI以外,在机器人SIer 方面的展示基本没有。

2015年的趋势是“协调•协作机器人”,是发那科和川崎重工业等相继发表协作机器人的一年。

2017年,很多厂商根据IoT技术提出了许多关于智能工厂的提案,将无人搬运车(AGV)与工业用机器人的机械臂组合起来,不同于以往的磁性履带,而是根据现场的地图来自由移动、检测和避开障碍物。

可以把信息传达到每个站点进行加工工件的交付,从订货•库存状况和每个站点的工作状况,到对供应商的订货进行生产管理的智能工厂。

另外,HCI的机器人系统装载了的A I技术也成为趋势之一。到了2 018年,机器人会越来越多地与IoT、AI进行合作、融合,机器人的智能化必须要有AI的参与。相反,对于AI工程师来说,使用机器人,能够验证自己构筑的架构和算法,比起史上谈兵,实际操作起来更加直观。

HCI,作为“HCI-RT协会”的下部组织,于2018年4月成立了名为“泉大津AI研究会”的AI特化组织,并在那里展开作为HCI主要研究对象的AI技术的研究。把焦点放在“图像识别”、“强化学习”、“自然语言处理”上,并作为机器人和AI系统落实到实际的商业应用中。

作为机器人系统,工业用机器人在制造业和服务业方面打算扩大工作的框架,学会如何接近人,变得更加人工化。用机械臂当做手臂,用照相机•图像技术当做眼睛,用AI技术当做大脑,在这之后,脚部的研究是必要的。当然,也有AGV等选择,不过,HCI与位于南大阪的某教育机关合作,进行6足型移动机器人系统的开发和研究。

另外,美国企业B o s t o nDynamics公司还计划在2019年开始销售4足型机器人犬(2015年5月11日该公司CEO在加利福尼亚大学伯克利分校讲话),移动机器人系统在不久的将来也将以新的技术为社会做出贡献。


照片5 适用于极小型工件的装卸机器人系统※HCI制


照片6 多芯线束自动制造机器人系统·检查工序AI系统※HCI制

给我留言
*
*
*
*
*
其他推荐企业
RECOMMEND