機器學習技術與應用 課件 第3課 協(xié)作機器人

智能機器人技術與應用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術應用專業(yè)系列教材第3課協(xié)作機器人231知識目標（1）人與機器的協(xié)作知識。（2）協(xié)作機器人的定義與安全設計。（3）協(xié)作式專家系統(tǒng)與計算機集成制造系統(tǒng)。能力目標（1）掌握專業(yè)知識的學習方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）參與團隊學習，提高組織活動、參與活動的能力。素質目標（1）熱愛學習，掌握學習方法，提高學習能力。（2）熱愛讀書，善于分析，勤于思考，培養(yǎng)關心技術進步的優(yōu)良品質。（3）體驗、積累和提高“大國工匠”的專業(yè)素質。學習目標

愿景

體驗

創(chuàng)意

實踐重點難點（1）人與機器的協(xié)作。（2）協(xié)作機器人的定義。目錄人與機器的協(xié)作01協(xié)作機器人的定義02協(xié)作機器人與工業(yè)機器人03協(xié)作機器人安全設計04協(xié)作式專家系統(tǒng)05計算機集成制造系統(tǒng)06第3課協(xié)作機器人工業(yè)4.0有一個重要原則，就是在人機協(xié)作模式下，由人員控制并監(jiān)控生產(chǎn)，而機器人則負責辛苦的體力工作。兩者發(fā)揮各自的專長。因此，人機協(xié)作給未來工廠中的工業(yè)生產(chǎn)和制造帶來了根本性的變革。人與機器的協(xié)作0101

人與機器的協(xié)作近年來，伴隨著市場需求日益加大和政策、資本的大力扶持，工業(yè)機器人已步入高速發(fā)展階段，各種機器人可以勝任越來越多的工作崗位，“機器換人”已在包括制造業(yè)、服務業(yè)等多行業(yè)展開。人類與機器人可以是一種互助共存的關系。機器人可以輔助人類去做一些繁復、深重的工作，人類可根據(jù)現(xiàn)實需求調整機器人生產(chǎn)。協(xié)作

工業(yè)機器人是發(fā)展的新形態(tài)，人機協(xié)作是機器人

進化的必然選擇，其特點是安全、易用、成本低，

普通工人可以像使用電器一樣操作它。

圖3-3各種機器人勝任越來越多的工作崗位工業(yè)機器人誕生工業(yè)創(chuàng)新和太空機器人01

工業(yè)機器人歷史家庭機器人和旅居者火星車射波刀和愛寶機器狗今天的機器人01

人與機器的協(xié)作3.1.1智能制造不同于自動化隨著美國、德國、英國、日本等先進國家制造業(yè)不斷加快向數(shù)字化、智能化時代發(fā)展，人工智能對制造業(yè)競爭力的影響也越來越大，智能制造已成為世界各國技術創(chuàng)新和經(jīng)濟發(fā)展競爭的焦點。我國將智能制造作為《中國制造2025》的主攻方向，其規(guī)劃指出，智能制造是未來制造業(yè)發(fā)展的重大趨勢和核心內(nèi)容，也是解決我國制造業(yè)由大變強的根本路徑。但是，傳統(tǒng)的自動化并不等于智能制造。01

人與機器的協(xié)作自動化是指機器設備、系統(tǒng)或生產(chǎn)、管理過程，在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經(jīng)過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現(xiàn)重復性的復現(xiàn)和執(zhí)行預期目標的過程。而智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，實現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。智能制造技術是在現(xiàn)代傳感技術、網(wǎng)絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化感知、人機交互、決策和執(zhí)行技術，實現(xiàn)設計過程、制造過程和制造裝備智能化，是信息技術、智能技術與裝備制造技術的深度融合與集成；智能制造把制造自動化的概念更新，并擴展到柔性化、智能化和高度集成化（見圖3-5）。01

人與機器的協(xié)作圖3-5自動化與智能制造01

人與機器的協(xié)作從制造業(yè)角度出發(fā)，過去的自動化主要是針對批量生產(chǎn)，而在智能制造時代，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快、批量小、個性化定制等，與大批量生產(chǎn)相比，生產(chǎn)組織高度復雜、質量控制難度大增，人工物料成本顯著升高，這些相關的新問題必須被迅速感知、及時處理。這時，智能制造的相關技術，如傳感技術、測試技術、信息技術、數(shù)控技術、數(shù)據(jù)庫技術、數(shù)據(jù)采集與處理技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能技術、生產(chǎn)管理等與產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期相關的先進技術就成為了制造業(yè)變革創(chuàng)新的新希望。01

人與機器的協(xié)作另外，從技術上看，過去的自動化產(chǎn)線上，人們一般試圖把生產(chǎn)的“邊界”盡量固定下來，通過抑制干擾來保證質量、成本和效率；而在現(xiàn)在的智能制造生產(chǎn)線上，更強調出現(xiàn)問題及時應對這些干擾，因為無論如何，制造業(yè)都希望在生產(chǎn)制造上不必要的干擾盡量少、時間和資源的浪費盡量少，只有這樣，制造商在生產(chǎn)管理上才能盡可能簡單、盡可能高效。智能制造可以推動創(chuàng)新主體的高效互動、產(chǎn)品的快速迭代、模式的深

刻變革、用戶的組織參與，并激發(fā)全社會的活力、提

高創(chuàng)新資源、縮短技術商業(yè)化周期；同時智能制造也

是自動化的延伸和發(fā)展。

圖3-6智能制造的生產(chǎn)線01

人與機器的協(xié)作智能制造與自動化相對比，其中一個重要差別就是，信息的來源和協(xié)同的范圍擴大了。在傳統(tǒng)自動化生產(chǎn)中，對象往往是機器級別的，但是對于智能制造的理解，現(xiàn)在則是車間、工廠、企業(yè)、供應鏈、乃至全球。目前的智能制造將重點放在智能制造技術及智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方面，而智能制造應該將技術貫穿于產(chǎn)品的工業(yè)設計、生產(chǎn)、管理和服務的制造活動全過程，不僅包括智能制造裝備，還應該包括智能制造服務；制造業(yè)實現(xiàn)制造生產(chǎn)的智能化，不僅加快企業(yè)升級改革的互聯(lián)網(wǎng)道路，實現(xiàn)數(shù)字化工廠，同時還能結合現(xiàn)有的科技，不斷的應用到企業(yè)

的生產(chǎn)制造中，實現(xiàn)智能生產(chǎn)制造，加強企業(yè)的市場競爭力。01

人與機器的協(xié)作3.1.2人機協(xié)作：工藝技術在人機協(xié)作模式中，機器人就是人的助手，輔助人去做勞累艱苦的工作，比如搬運、上下料等大量重復性工作，而人機協(xié)同的一個很大的特點就是不隔開、無護欄。例如：庫卡（KUKA）LBRiiwa人機協(xié)作機器人使用智能控制技術、高性能傳感器和先進的軟件技術，它可以協(xié)作生產(chǎn)，使以往困難的、手動完成的作

業(yè)轉換成自動化生產(chǎn)。在庫卡flexFellow等移動式平臺的

幫助下，此款機器人可不受位置和任務的限制，

有其自發(fā)自動化的特點，具有最大的靈活性，

可以作為生產(chǎn)負荷高峰和資源瓶頸時的助手，提

供最佳支持。圖3-7庫卡LBRiiwa人機協(xié)作機器人01

人與機器的協(xié)作協(xié)同機器人在3C行業(yè)（指結合電腦、通訊和消費性電子三大科技產(chǎn)品整合應用的資訊家電產(chǎn)業(yè)）中應用非常廣泛。電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中涉及到焊接、裝配、打磨、檢測等復雜的工序過程，為了跟上產(chǎn)品更新的速度，又要保證產(chǎn)品的生產(chǎn)品質，人機協(xié)作就成為當前最理想的解決方案。在服務領域，協(xié)作機器人也講究人機協(xié)作，共同發(fā)展。例如在當年九寨溝地震發(fā)生當晚，第一篇關于九寨溝地震的新聞就出自中國地震臺網(wǎng)的一個寫稿機器人之手，僅耗時22秒就完成了500多字的稿件并發(fā)布。機器人撰寫的稿件是以廣泛數(shù)據(jù)作為支撐，而稿件的格式、語序等，都源自固定模版。目前騰訊、新華社、美聯(lián)社等國內(nèi)外媒體廣泛“聘用”寫稿機器人，仔細觀察它們平時發(fā)布的新聞，不難發(fā)現(xiàn)雖然產(chǎn)出數(shù)量較高，但是所發(fā)稿件多半是集中在財經(jīng)、體育、氣象、自然災害等領域，而內(nèi)容多為對事件的簡單描述，以及對事件涉及到的數(shù)據(jù)進行直觀呈現(xiàn)，起到傳遞信息并作簡要分析的作用（見圖3-8）。01

人與機器的協(xié)作

圖3-8機器人撰寫稿件01

人與機器的協(xié)作隨著人工智能發(fā)展的日益成熟，機器人會越來越智能，會在多個領域中承擔更多的工作職責。人類與機器人將是一種相互依存關系，長期的漸進式過程。盡管在發(fā)展中還有許多挑戰(zhàn)，但人們相信人機協(xié)作會是大勢所趨。01

人與機器的協(xié)作3.1.3人類和機器協(xié)同工作通常我們認為“智能”是個體的一種內(nèi)在特質。人工智能的典型定義是一種對構建擁有不同形式智能機器個體的追求，即使是那種已經(jīng)在人類身上測量了一個世紀以上的廣義智能。然而，就像麻省理工學院托馬斯·馬龍教授所說的一樣，“幾乎人類做過的每件事，都不是由個人獨立完成的，而是由一群人，通過跨越時間和空間相互協(xié)作完成的”。馬龍教授是群體智能領域的前沿研究者，同時也對人工智能技術改造工人、工作地和社會的潛力有獨到的理解。智能制造的發(fā)展離不開機器人，發(fā)展智能機器人是打造智能制造裝備平臺、提升制

造過程自動化和智能化水平的必經(jīng)之路。隨著科技的不斷進步，特別是工業(yè)4.0時代

的到來，廣泛采用工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)線已成為世界制造業(yè)的核心裝備。01

人與機器的協(xié)作在智能制造時代，為了應對消費者日益增長的定制化產(chǎn)品的需求，智能工廠需要在有限空間內(nèi)，充分利用現(xiàn)有資源，建設靈活、安全、可快速變化的智能生產(chǎn)線，為適應新產(chǎn)品的生產(chǎn)，更換生產(chǎn)線，縮短產(chǎn)品制造時間，需要靈活快速的生產(chǎn)單元來滿足這些需求，并提高制造企業(yè)產(chǎn)能和效率，降低成本。因此，智能機器人會成為智能制造系統(tǒng)中最重要的硬件設備。某種意義上說，智能機器人的全面升級，是新一輪工業(yè)革命的重要內(nèi)容。但在某些產(chǎn)品領域與生產(chǎn)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(xié)作機器人將發(fā)揮越來越大的作用。01

人與機器的協(xié)作所謂的人機協(xié)作，就是由機器人從事精度與重復性高的作業(yè)流程，而工人在其輔助下進行創(chuàng)意性工作。人機協(xié)作機器人的使用，使企業(yè)的生產(chǎn)布線和配置獲得了更大的彈性空間，也提高了產(chǎn)品良品率。人機協(xié)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，智能制造的發(fā)展要求人和機器的關系發(fā)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(xié)調，自然地交互并保障彼此安全（見圖3-9）。01

人與機器的協(xié)作

圖3-9人機協(xié)同的業(yè)務邏輯01

人與機器的協(xié)作3.1.4人機合作的四種方式人機合作有四種方式，比如作為人類所

使用的工具、作為人類的助手、搭檔或

者管理者等角色（見圖3-10）。圖3-10歐姆龍人機協(xié)作智能產(chǎn)線01

人與機器的協(xié)作（1）工具。最容易想到、也是人們談論最多的，是機器作為人類所使用的工具而存在。比如，當你在寫Word文檔或Excel表格時，電腦只是在執(zhí)行你下達的指令，你也必須時刻關注它。作為工具存在時，機器同樣也只做你想讓它做的事。01

人與機器的協(xié)作（2）助手。機器作為人類的助手而存在。當然，除了機器，我們也可以請人來作為自己的助手，但是機器正逐步取代這個角色。作為助手而存在時，機器有更高的自主性和能動性來幫助你實現(xiàn)目標，而且可能知道一些你不知道的知識，從而讓你的目標達成更高效。我們很多人都在做數(shù)據(jù)科學方面的事，預測未來20年可能發(fā)生什么。例如設計一個軟件構建預測算法，來幫助保險承保人更好地選擇和評估風險，或者幫助索賠理算員更好地處理保險索賠。對于簡單情況，只需要計算機就能完成任務；而對于復雜一點的案件，可能需要人類來消除一些歧義；這樣一來，人類就更加專注于需要背景、常識和判斷力的復雜案例。這就是一個很好的機器作為助手的例子。計算機實際上可以比人更好、更快地完成一些任務，同時成本也比人工成本更低。作為助手，機器在處理簡單案件的時候可以更主動，例如短信中的自動更正功能。01

人與機器的協(xié)作（3）搭檔。機器作為人類的搭檔，我們在很多場景中可以看到這方面的例子。例如訓練機器學習的預測算法來預測足球聯(lián)賽的輸贏，然后讓計算機和人一起參與到預測過程中。（4）管理者。機器作為人類的管理者，這是最后一種可能性，人們可能會對此感到恐慌。但是如果你仔細想想就會發(fā)現(xiàn)，我們已經(jīng)有了機器作為管理者的例子，而且在很多情況下，這似乎非常正常。例如過去是警察在繁忙的十字路口指揮交通。今天，紅綠燈就是這么做的，而我們對此并不感冒。將來很有可能我們會看到越來越多的機器來做這方面的事，比如使用算法來完成任務的排序，預測哪個人最適合做哪項任務等。01

人與機器的協(xié)作3.1.5人機協(xié)作群體智能廣義地說，智能就是實現(xiàn)目標的能力。于是可以定義，專業(yè)智能是指“在特定情況下實現(xiàn)特定目標的能力”，而通用智能是指“在多種情況下實現(xiàn)不同目標的能力”。這兩者之間的區(qū)別對于理解人工智能系統(tǒng)的能力至關重要。當前，即使是最先進的人工智能系統(tǒng)也只具有專業(yè)智能。比如IBM“沃森”程序雖然在游戲中戰(zhàn)勝了人類最好的玩家，但是卻連簡單地三連棋都不會下，更不用說象棋了。類似地，一輛自

動駕駛汽車在交通擁擠的道路中可以表現(xiàn)良好，但是卻不會

把倉庫中的一個東西拿下來放到盒子里。這就是專業(yè)智能，

其智能只表現(xiàn)在做某一方面的事情上。01

人與機器的協(xié)作當然，在有些方面智能計算機的表現(xiàn)要比人類好。最近這些年來，通過機器學習，計算機在一些方面的模式識別表現(xiàn)得比人類更好，但這并不意味著計算機在任何方面都比人聰明。這只是說，對于這種特殊的思維，電腦比人好得多。但還是有很多方面人比機器要好。群體智能是一種共享智能，是集結眾人的意見進而轉化為決策的一種過程，用來對單一個體做出隨機性決策。對群體智能的研究實際上可以被認為是一個屬于社會學、商業(yè)、計算機科學、大眾傳媒和大眾行為的分支學科，研究從夸克（一種參與強相互作用的基本粒子，也是構成物

質的基本單元）層次到細菌、植物、動物以及人類社會層次的群體行為的一個領

域。群體智能的四項原則是：開放、對等、共享和全體行動。01

人與機器的協(xié)作群體智能的概念源于對自然界中一些社會性昆蟲，如螞蟻、蜜蜂等的群體行為的研究。單只螞蟻的智能并不高。不過幾只螞蟻湊到一起，就可以一起往蟻穴搬運路上遇到的食物。如果是一群螞蟻，它們就能協(xié)同工作，建起堅固、漂亮的巢穴，一起抵御危險，撫養(yǎng)后代。在某群體中，若存在眾多無智能的個體，它們通過相互之間的簡單合作所表現(xiàn)出來的群居性生物的智能行為是分布式控制的，具有自組織性，就被稱為群體智能。實現(xiàn)群體智能也可以是由人或機器組成的一個群體所顯現(xiàn)出來的某種能力，可以是一群機器、蜜蜂、螞蟻或者甚至是一

群細菌?？梢园讶后w智能定義為大量個體以一種看起來智能的方式、協(xié)作性地運作。協(xié)作機器人的定義0202

協(xié)作機器人的定義未來的智能工廠是人與機器和諧共處所締造的，這就要求機器人能夠與人一同協(xié)作，并與人類共同完成不同的任務。這既包括完成傳統(tǒng)的“人干不了的、人不想干的、人干不好的”任務，又包括能夠減輕人類勞動強度、提高人類生存質量的復雜任務。正因如此，人機協(xié)作可被看作新型工業(yè)機器人的必有屬性。02

協(xié)作機器人的定義協(xié)作機器人，顧名思義，就是機器人與人可以在生產(chǎn)線上協(xié)同作業(yè)，把機器人（精確）的重復性能和人類獨特的技巧與能力結合起來，人類擅長解決不精確/模糊的問題，而機器人則在精度、力量和耐久性上占優(yōu)。充分發(fā)揮機器人的效率及人類的智能。這種機器人不僅性價比高，而且安全方便，能夠極大地促進制造企業(yè)的發(fā)展。作為一種新型的工業(yè)機器人，協(xié)作型機器人掃除了人機協(xié)作的障礙，讓機器人擺脫護欄或圍籠的束縛，其開創(chuàng)性的產(chǎn)品性能和廣泛的應用領域，為工業(yè)機器人的發(fā)展開啟了新時代。協(xié)作機器人用來降低風險，提高安全性的措施，從本質上

可以分為被動和主動兩種。被動安全設計主要由機器人系統(tǒng)的機械設計來實現(xiàn)，主

動安全由控制系統(tǒng)的設計來實現(xiàn)。因此，協(xié)作機器人的定義是：在共享空間中與人類互動或在附近安全工作的機器人。

這與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人相反，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人旨在通過與人的接觸隔離來確保安

全自主地工作。02

協(xié)作機器人的定義全球性行業(yè)協(xié)會國際機器人聯(lián)合會（IFR）定義了四種類型的協(xié)作制造應用程序：（1）共存：人與機器人可以并排工作，但是沒有共享的工作空間。（2）順序協(xié)作：人和機器人共享工作空間的全部或一部分，但不能同時在零件或機器上工作。（3）合作：機器人和人類同時在同一零件或機器上工作，并且兩者都在運動中。（4）響應式協(xié)作：機器人實時響應工人的動作。在如今協(xié)作機器人的大多數(shù)工業(yè)應用中，協(xié)作機器人和人

類工人共享相同的空間，但獨立地或順序地完成任務（共

存或順序協(xié)作）。02

協(xié)作機器人的定義人機協(xié)作給未來工廠的工業(yè)生產(chǎn)和制造帶來了根本性的變革，具有決定性的重要優(yōu)勢：（1）生產(chǎn)過程中的靈活性最大。（2）承接以前無法實現(xiàn)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(xié)作型夾持器。（4）高質量完成可重復的流程，而無需根據(jù)類型或工件進行投資。（5）采用內(nèi)置的傳感系統(tǒng)，提高生產(chǎn)率和設備復雜程度?；谌藱C協(xié)作的優(yōu)點，順應市場需求，更加靈活的協(xié)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(yōu)勢發(fā)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(zhàn)。協(xié)作機器人與工業(yè)機器人0303

協(xié)作機器人與工業(yè)機器人協(xié)作機器人是工業(yè)機器人中的一個重要的細分類別，它的最大優(yōu)勢就是靈活性，但缺點也非常明顯，就是為了獲得控制力，協(xié)作機器人的運行速度比較慢，一般只能達到傳統(tǒng)工業(yè)機器人的1/3到2/3。而且協(xié)作機器人重量都比較輕，結構相對簡單，整個機器人的剛性不足，所以協(xié)作機器人負載一般都是比傳統(tǒng)工業(yè)機器人低，工作范圍只與人的手臂差不多。協(xié)作機器人和工業(yè)機器人的區(qū)別可以理解為：（1）未來理想中的高度自動化確實不需要人；（2）短期內(nèi)人類還無法達到上述的“高度自動化”；（3）協(xié)作機器人是一個過渡概念，通過結合人的靈活性和機器人的高速、高精度來提高生

產(chǎn)效率；（4）最終，所有的機器人都將具有人機協(xié)作的特性。03

協(xié)作機器人與工業(yè)機器人簡單來說，協(xié)作機器人是一種從設計之初就考慮降低傷害風險，可以安全的與人類進行直接交互/接觸的機器人。而傳統(tǒng)工業(yè)機器人在工作時，受限于技術和歷史原因，為了保證安全，需要采取某些措施把人類排除在工作區(qū)域之外，例如汽車廠的焊接，噴漆等工序完全不需要人的參與，因此用安全圍欄/光柵圍住即可。但是這樣的話，在很多需要人類介入的工作中就無法采用機器人來實現(xiàn)較高程度的自動化。03

協(xié)作機器人與工業(yè)機器人協(xié)作機器人與傳統(tǒng)機器人之間的不同，只是基于不同的設計理念生產(chǎn)的工業(yè)機器人產(chǎn)品，在協(xié)作機器人發(fā)展初期，很多都是從傳統(tǒng)機器人的基礎上改造的。比如，F(xiàn)ANUC的CR-35iA協(xié)作機器人是在傳統(tǒng)機器人M-20iA的基礎上，外面包裹一個

保護層發(fā)展而來，是目前世界上負載能力最大（35kg）

的協(xié)作機器人。

圖3-11CR-35iA協(xié)作機器人03

協(xié)作機器人與工業(yè)機器人再如，KUKA在2005年推出的SafeRobot，是在其KR3機器人的外面包裹了厚厚的一層墊子，以減少碰撞時的沖擊。

圖3-12SafeRobot協(xié)作機器人03

協(xié)作機器人與工業(yè)機器人隨著技術的發(fā)展和相關規(guī)范的完善，協(xié)作機器人慢慢轉向了區(qū)別于傳統(tǒng)機器人的外形設計（目的是增大負載自重比，降低夾傷手指/身體的風險，降低碰撞傷害的風險等）。圖3-13各種各樣的協(xié)作機器人03

協(xié)作機器人與工業(yè)機器人協(xié)作機器人的主要特點有：（1）輕量化：使機器人更易于控制，提高安全性。（2）友好性：保證機器人的表面和關節(jié)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(huán)境，并根據(jù)環(huán)境的變化改變自身的動作行為。（4）人機協(xié)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(xié)同工作。（5）編程方便：對于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。03

協(xié)作機器人與工業(yè)機器人人類的生產(chǎn)經(jīng)歷了全手工勞動，到半自動、全自動等生產(chǎn)模式，未來必將走進人與機器人的協(xié)作時代，并且成為一種常態(tài)的工作模式。今天，可能只在生產(chǎn)線的上下料等上下游使用機器人，在裝配過程中，采用手工來裝配，配合輸送帶系統(tǒng)，追求單元的精益生產(chǎn)。未來，在生產(chǎn)線中，人與機器人將實現(xiàn)混合搭配，協(xié)作型機器人將使用多功能的爪鉗，采用引導式的高效編程，提高整個裝配系統(tǒng)成本競爭力。多自由度運動學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(xié)作機器人在人機的工作分配方面，將簡單重復、勞動強度大的勞動留給機器

人，復雜的智力勞動留給人類自己，協(xié)作機器人正在打破傳統(tǒng)機器人的桎梏，在追

求低價、高效、安全和生產(chǎn)多樣化的今天或將起一場制造業(yè)機器換人的風暴。協(xié)作機器人安全設計0404

協(xié)作機器人安全設計協(xié)作機器人的主動安全設計，即控制系統(tǒng)的安全完整性，是整個系統(tǒng)中的重要因素。安全性可以定量的由機器人控制系統(tǒng)的安全級別來確定，以SIL（安全完整性等級）為例。

圖3-14安全完整性等級04

協(xié)作機器人安全設計主流的機器人控制系統(tǒng)都可以達到SIL2以上的級別，部分可以達到SIL3。SIL2代表的含義是，對于經(jīng)常執(zhí)行的安全操作來講（頻率高于2次/小時），其在1個小時內(nèi)發(fā)生危險失效的概率要小于10-6。比如說，大家熟悉的急停按鈕就是機器人的安全相關部件，假設你沒事干1個小時拍2次，至少要連續(xù)拍56年才會出現(xiàn)一次拍了急停但機器人沒有停止的情況。但值得一提的是，機器人系統(tǒng)包括機器人、末端執(zhí)行器、周圍配套的外部軸、機械設備等。正常工作中與人交互的，是包含機器人在內(nèi)的一整個系統(tǒng)，而協(xié)作機器人只是整個系統(tǒng)的一個組

件，其他部分如果不考慮安全設計，那就不能稱之為人機

協(xié)作。04

協(xié)作機器人安全設計協(xié)作機器人適合的場景是要求人員介入的，大部分涉及到裝配/組裝。例如電子產(chǎn)品裝配中，機器人放置零件，操作人員負責組裝（見圖3-15）；或者汽車發(fā)動機裝配（見圖3-16）；或者醫(yī)療領域，進行手術輔助（見圖3-17）。協(xié)作機器人的本質是安全性，是機器人技術發(fā)展的必經(jīng)之路，也是終極目標之一。圖3-15電子產(chǎn)品裝配04

協(xié)作機器人安全設計圖3-16汽車發(fā)動機裝配圖3-17醫(yī)療領域的手術輔助協(xié)作式專家系統(tǒng)0505

協(xié)同式專家系統(tǒng)當前存在的大部分專家系統(tǒng)（計算機等），在規(guī)定的專業(yè)領域內(nèi)，它是一個“專家”，但一旦超出特定的專業(yè)領域，專家系統(tǒng)就可能無法工作。協(xié)同式專家系統(tǒng)正是為了克服一般專家系統(tǒng)的局限性而逐漸發(fā)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(tǒng)開始向著多知識表示、多推理機的多層次綜合型轉化。協(xié)同式專家系統(tǒng)立足于糾正傳統(tǒng)專家系統(tǒng)對復雜問題求解的簡單化，開始追求深層解釋和推理，實現(xiàn)原則是技術互補，起始于單純的知識

表示和推理方法的結合，并逐漸發(fā)展到專家系統(tǒng)結構上的

綜合。05

協(xié)同式專家系統(tǒng)該系統(tǒng)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(tǒng)相互協(xié)同工作共同解決一個更廣泛的問題。在研究復雜問題時，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(tǒng)米完成。各個專家系統(tǒng)發(fā)揮自身的特長，解決一個問題再進行子系統(tǒng)的協(xié)同，確保專家系統(tǒng)的推理更加全面、準確、可靠。協(xié)同式專家系統(tǒng)協(xié)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，對于非核心子問題需維續(xù)這一過程，而且可能

反復“遞歸-回潮”，直到問題解決為止。05

協(xié)同式專家系統(tǒng)協(xié)同式專家系統(tǒng)廣泛應用于醫(yī)療領域，例如當今的腫瘤疾病包括多種，如果針對每一種腫瘤開發(fā)一款專家系統(tǒng)，那么這樣的專家系統(tǒng)就只能輔助診斷一種癌癥：這顯然是人力與資源的浪費。專家們開發(fā)出了“沃森醫(yī)生”及“十大常見惡性腫瘤診療專家系統(tǒng)”等協(xié)同式專家系統(tǒng)，可很好地輔助醫(yī)生們診斷出各種不同的癌癥，并給出相應

的治療方案醫(yī)生與專家系統(tǒng)（計算機等）相互協(xié)同，

不僅節(jié)約了醫(yī)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(xié)同式專家

系統(tǒng)也廣泛應用在醫(yī)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。

圖3-18協(xié)同式醫(yī)療專家系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)0606

計算機集成制造系統(tǒng)在現(xiàn)代制造業(yè)中，人機協(xié)同系統(tǒng)的應用已經(jīng)取得了很好的成效，計算機集成制造系統(tǒng)正在迅速發(fā)展起來。圖3-19計算機集成制造06

計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）由美國學者約瑟夫·哈靈頓于1973年首次提出，指的是綜合運用現(xiàn)代管理技術、制造技術、信息技術、系統(tǒng)工程技術等，將企業(yè)生產(chǎn)全部過程中有關的人、機（計算機、生產(chǎn)及控制設備等）集成并優(yōu)化運行的復雜的大系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)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(chuàng)造等方面的工作；機器則在生產(chǎn)過程的實施與控制方面發(fā)揮作用，或者從事由于生理或心理因素人們無法完成的工作。在最近的幾十年中，美國、西歐、日本、韓國及中國的多家化工、鋼鐵及機械制造等企業(yè)紛紛采用了計

算機集成制造系統(tǒng)。06

計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)是隨著計算機輔助設計與制造的發(fā)展而產(chǎn)生的。它是在信息技術自動化技術與制造的基礎上，通過計算機技術把分散在產(chǎn)品設計制造過程中各種孤立的自動化子系統(tǒng)有機地集成起來，形成適用于多品種、小批量生產(chǎn)，實現(xiàn)整體效益的集成化和智能化制造系統(tǒng)。從體系結構計算機集成制造系統(tǒng)CIMS系統(tǒng)的分系統(tǒng)關聯(lián)來分，CIMS可分成集中性、分散性和混合型三種。06

計算機集成制造系統(tǒng)當前，我國的計算機集成制造CIMS已經(jīng)發(fā)展為“現(xiàn)代集成制造（CIM）”與“現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（CIMS）”，在廣度與深度上拓展了原來CIM/CIMS的內(nèi)涵。其中，“現(xiàn)代”的含義是計算機化、信息化、智能化。“集成”有更廣泛的內(nèi)容，包括信息集成、過程集成及企業(yè)間集成等三個階段的集成優(yōu)化；企業(yè)活動中三要素及三流的集成優(yōu)化；CIMS有關技術的集成優(yōu)化及各類人員的集成優(yōu)化等。CIMS不僅僅把技術系統(tǒng)和經(jīng)營生產(chǎn)系統(tǒng)集成在一起，而且把人（人的思想、理念及智能小型計算機集成制造系統(tǒng)）也集成在一起，使整個企業(yè)的工作流程、

物流和信息流都保持通暢和相互有機聯(lián)系，所以，CIMS是

人、經(jīng)營和技術三者集成的產(chǎn)物。CIMS體系結構CIMS技術構成CIMS發(fā)展趨勢04

現(xiàn)代機器人06

計算機集成制造系統(tǒng)3.6.1CIMS體系結構CIMS體系結構是用來描述研究對象整個系統(tǒng)的各個部分和各個方面的相互關系和層次結構，從大系統(tǒng)理論角度研究，將整個研究對象分為幾個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)相對獨立自治、分布存在、并發(fā)運行和驅動等（見圖3-20）。我們可以從功能結構和邏輯結構來認識CIMS體系結構。從功能層方面分析，CIMS大致可以分為六層：生產(chǎn)/制造系統(tǒng)，硬事務處理系統(tǒng)，技術設計系統(tǒng)，軟事務處理系統(tǒng)，信息服務系統(tǒng)，決策管理系統(tǒng)。06

計算機集成制造系統(tǒng)

圖3-20CIMS體系結構06

計算機集成制造系統(tǒng)從生產(chǎn)工藝方面分，CIMS可大致分為離散型制造業(yè)、連續(xù)性制造業(yè)和混合型制造業(yè)三種；從體系結構計算機集成制造系統(tǒng)CIMS系統(tǒng)的分系統(tǒng)關聯(lián)來分，CIMS也可以分成集中性、分散性和混合型三種。06

計算機集成制造系統(tǒng)3.6.2CIMS技術構成CIMS涉及到的技術包括多個方面。（1）先進制造技術（AMT）。是傳統(tǒng)制造技術不斷吸嵌入式計算機集成制造系統(tǒng)收機械、電子、信息、材料、能源和現(xiàn)代管理等方面的成果，并將其綜合應用于產(chǎn)品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)，并取得理想技術經(jīng)濟效果的制造技術的總稱。（2）敏捷制造（AM）。是以競爭力和信譽度為基礎，選擇合作者組成虛擬公司，

分工合作，為同一目標共同努力來增強整體競爭能力，對用戶需求作出快速反應，

以滿足用戶的需要。06

計算機集成制造系統(tǒng)（3）虛擬制造（VM）。利用信息技術、仿真技術、計算機技術對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造過程進行全面的仿真，以發(fā)現(xiàn)制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實際生產(chǎn)前就采取預防措施，從而達到產(chǎn)品一次性制造成功，來達到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強產(chǎn)品競爭力的目的。（4）并行工程（CE）。是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。它要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中從概念形成

到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求，并行工程的發(fā)

展為虛擬制造技術的誕生創(chuàng)造了條件，虛擬制造技術將是以并行工程為基礎的，

并行工程的進一步發(fā)展就是虛擬制造技術。在探討現(xiàn)代集成制造技術未來發(fā)展趨勢之前，首先應該了解一下，當前現(xiàn)代制造

業(yè)和制造企業(yè)的特征，它們是推動現(xiàn)代制造技術發(fā)展的內(nèi)存動力。06

計算機集成制造系統(tǒng)3.6.3CIMS發(fā)展趨勢CIMS是企業(yè)管理運作的一種手段，是一種戰(zhàn)略思想的應用，其初期投資大，涉及面廣，資金回籠周期長，短期內(nèi)很難見到效益，因此，在對CIMS作效益評價時不能單憑貨幣標準來衡量其效益，要多方面綜合考慮其效益指標。所謂綜合效益是指CIMS系統(tǒng)對企業(yè)和社會所能帶來的各種效益。06

計算機集成制造系統(tǒng)（1）應用CIMS提高了勞動生產(chǎn)力為企業(yè)帶來的利潤，為國家增加國民收入所做出的貢獻。（2）應用CIMS提高了企業(yè)對市場的應變能力和抗風險能力，對企業(yè)實現(xiàn)經(jīng)營戰(zhàn)略所做出的貢獻；提高企業(yè)市場競爭力，促進技術進步所作的貢獻。（3）為提高整個企業(yè)員工素質和技術水平作的貢獻。（4）為節(jié)約自然資源所做出的貢獻。（5）通過應用和推廣CIMS技術，為國家優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，發(fā)展新產(chǎn)業(yè)，提高造國際市場上的競爭力所作的貢獻。06

計算機集成制造系統(tǒng)以信息技術的發(fā)展為支持，以滿足制造業(yè)市場需求和增強企業(yè)競爭力為目的，現(xiàn)代集成制造技術未來將突出以下八個方面的發(fā)展趨勢。（1）發(fā)展核心。未來世界，“數(shù)字化”將勢不可當。“數(shù)字化”不僅是“信息化”發(fā)展的核心，而且也是先進制造技術發(fā)展的核心。信息的“數(shù)字化”處理同“模擬化”處理相比，有著3個不可比擬的優(yōu)點：信息精確，信息安全，信息容量大。數(shù)字化制造就是指制造領域的數(shù)字化，它是制造技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術與管理科學

的交叉、融和、發(fā)展與應用的結果，也是制造企業(yè)、制造系統(tǒng)與生產(chǎn)過程、生產(chǎn)

系統(tǒng)不斷實現(xiàn)數(shù)字化的必然趨勢。它包含了三大部分：以設計為中心的數(shù)字制造，

以控制為中心的數(shù)字制造和以管理為中心的數(shù)字制造。06

計算機集成制造系統(tǒng)對制造設備而言，其控制參數(shù)均為數(shù)字化信號。對制造企業(yè)而言，各種信息（如圖形、數(shù)據(jù)、知識、技能等等）均以數(shù)字形式，通過網(wǎng)絡，在企業(yè)內(nèi)傳遞，以便根據(jù)市場信息，迅速收集資料信息，在虛擬現(xiàn)實、快速原型、數(shù)據(jù)庫、多媒體等多種數(shù)字化技術的支持下，對產(chǎn)品信息、工藝信息與資源信息進行分析、規(guī)劃與重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設計和產(chǎn)品功能的仿真，對加工過程與生產(chǎn)組織過程的仿真，或完成原型制造，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速重組與對市場的快速響應，以滿足客戶化要求。對全球制造業(yè)而言，用戶借助網(wǎng)絡發(fā)布信息，各類企業(yè)通過網(wǎng)絡，根據(jù)需求，應用電子商務，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，形成動態(tài)聯(lián)盟，迅速協(xié)同設計與制造出相應的產(chǎn)品。這樣，在數(shù)字制造環(huán)境下，在廣泛領域乃至跨地區(qū)、跨國界形成一個數(shù)字化組成的網(wǎng)，企業(yè)、車間、設備、員工、經(jīng)銷商乃至有關市場均可成為網(wǎng)上的一個“結點”，在研究、設計、制造、銷售、服務的過程中，彼此交互，圍繞產(chǎn)品所賦予的數(shù)字信息，成為驅動制造業(yè)活動的最活躍的因素。06

計算機集成制造系統(tǒng)（2）發(fā)展關鍵。所謂“精密化”，一方面是指對產(chǎn)品、零件的精度要求越來越高，另一方面是指對產(chǎn)品、零件的加工精度要求越來越高。“精”是指加工精度及其發(fā)展，精密加工，細微加工，納米加工，如此等等。（3）發(fā)展焦點?！皹O”就是極端條件，就是指在極端條件下工作的或者有極端要求的產(chǎn)品，從而也是指這類產(chǎn)品的制造技術有“極”的要求。在高溫、高壓、高濕、強磁場、強腐蝕等等條件下工作的，或有高硬度、大彈性等等要求的，或在幾何形體上極大、極小、極厚、

極薄、奇形怪狀的。顯然，這些產(chǎn)品都是科技前沿的產(chǎn)

品。其中之一就是“微機電系統(tǒng)（MEMS）”?？梢哉f，

“極”是前沿科技或前沿科技產(chǎn)品發(fā)展的一個焦點。06

計算機集成制造系統(tǒng)（4）發(fā)展前提。這是所講的“自動化”就是減輕人的勞動，強化、延伸、取代人的有關勞動的技術或手段。自動化總是伴隨有關機械或工具來實現(xiàn)的?？梢哉f，機械是一切技術的載體，也是自動化技術的載體?！白詣踊睆淖詣涌刂?、自動調節(jié)、自動補償、自動辨識等發(fā)展到自學習、自組織、自維護、自修復等更高的自動化水平；而且今天自動控制的內(nèi)涵與水平已遠非昔比，從控制理論、控制技術、控制系統(tǒng)、控制元件，都有著極大的發(fā)展。制造業(yè)發(fā)展的自動化不但極大地解放了人的體力勞動，而且更為關鍵的是有效地提高了腦力勞動，解放了人的部分的腦力勞動。因此，自動化將是現(xiàn)代集成制造技術發(fā)展的前提條件。06

計算機集成制造系統(tǒng)（5）發(fā)展方法?！凹苫?，一是