主流制造商已长期使用专属的工业机器人，以提升生产线的效率和产量，因而拥有其他小型企业无法匹敌的成本优势。但是，工业机器人已经不再是大规模生产作业专属的工具。现在也有较小型的一般用途机器人，可帮助多种企业提升生产力，能在最小仅两平方英尺的工作场所中与操作人员互相合作。

　　本文将探讨为何以前无法以协作型机器人的形式，将机器人大规模部署在较小型的企业中，以及为何这种情况出现改变。然后还会介绍一些机器人范例，如KUKA Robotics Corp.推出的机械手臂，同时展示如何在大型和小型设施中应用这些机械手臂。

　　协作型机器人的崛起

　　工业机器人会局限于大规模营运是因为几个历史因素。其中一个主要因素就是难以实现投资报酬率(ROI)。早期的工业机器人不仅需要投入大量的心力进行设计，而且还需要根据任务进行量身定制。因此，这些机器人仅能处理的作业类型非常有限。这会造成成本与缺乏弹性的问题，而这意味着，机器人的效率和产量必须比人工作业显著提升，而且还需用于高产量生产线，才有部署的合理性。但中小型设施很少能达到这样的条件。

　　为了达到最大获利，大部分大规模作业的工业机器人，往往都很庞大且动作迅速，在操作的材料及速度上，都超越人类的极限(图1)。机器人的动量相当高，如果任何人挡在机器人的活动路径上并受到撞击，便会受伤甚至死亡。为了保护工作人员的安全，大型工业机器人需要进行隔离，放在可以联锁的防护笼或其他屏障后面，确保人员进入机器人作业空间时，机器人便会停机。

　　自从小型机械手臂问世后，如KUKA Robotics的AGILUS KR 3 R540，工业设施管理人员就有更多的选择。这些装置能提供通用的现成平台，以相对实惠的价格，提供可观的作业弹性。若与合适的末端效应器连接装置(如装在机械手臂末端的抓手或工具)组合在一起，这些通用型平台可大幅扩大活动范围，从而打造能实现适当投资报酬率的机器人系统。此外，这些机械手臂可在原先的应用结束后马上针对不同的动作进行编程，或以不同的末端效应器机构重新设定新用途，因此可增加成本回收的潜力。

　　这些小型工业机械手臂还有另一个关键特性，亦即能够置入小型的工作空间内，并与现有的生产作业整合。与大型制造设施里的大型机器人不同的是，小型机器人还能当作操作人员的工作伙伴，而不是用来取代人员。此类小型协作机器人(简称cobot) 的设计是要近距离与人员协作，无需加设防护笼或其他类似的屏障，以免机器人按着自己的路径移动时导致人员遭遇危险。与传统工业机器人相比，小型机械手臂体型更小，活动速度也更慢，因此可在接触瞬间停止，将受伤的可能性降到最低。此外，机械手臂通常都会内建接近感测器，有助于彻底避免碰撞。

　　越来越多的厂商已开始针对中小型企业生产工业用的小型机械手臂。其中一个代表性例子便是KUKA Robotics的AGILUS系列，此系列共有三种款式。前面提到的AGILUS KR 3 R540是最小的产品。其运作范围达两平方公尺，可处理高达3 kg的工作负载，适合多种组件和材料的搬运应用。AGILUS KR 6 R900-2最多能处理6 kg，而AGILUS KR 10 R1100-2最多能处理10 kg。这三款皆拥有相同的整体外观和工作行为，并以套件形式供应，附有控制器单元和手持操作器单元，可用来控制、监测并且对机器人的活动进行编程。

　　使用所有轴来控制机器人的运动需要精湛的编程技能，但现在已有所简化。机械手臂通常都会随附控制器电脑及带有使用者界面的平板电脑，能让使用者透过简单的方向按钮来移动机器人，以到达所需的「定位点」。记录一连串的定位点后，则可定义出完整的动作顺序，让机器人自动依序动作。有些机器人系统还允许使用者手动将机械手臂定位在所需的点，而非透过方向按钮操作。

　　这两种方法都可透过示范来「教导」机器人应该执行什么动作。随后，机器人便能在命令下重复执行该动作。让使用者教导机器人，而不是透过编程，不仅简化机器人的初始人物设定，还能够在需求变化时，轻松地调整动作。而控制平板可进一步让使用者在生产活动期间，根据需求细化和修正动作。

　　这些具有简化控制编程功能的机械手臂提供工业自动化解决方案的现成基础，可根据要执行的任务操纵末端效应器机构的位置。此类末端效应器机构范围广泛，从用于抓取、定位和置放作业的简单抓手，到螺丝起子和钻头等机器工具，再到烙铁和喷漆器等复杂的系统，应有尽有。会依据目标应用决定所需的末端效应器和系统整合作业，以便建立完整的解决方案。

　　机械手臂厂商及第三方系统整合商都有针对众多常见的作业设计适合的末端效应器机构。例如，若想拾取及操纵物件，许多厂商都有提供两指或三指的带夹爪夹具，以及磁性或真空吸附拾取机构。此外，市面上还有制造和组装应用所用的钻头、螺丝起子、研磨器和刀片。

　　甚至还有机械手臂厂商能现货供应完整的应用解决方案。例如KUKA Robotics 就提供一系列「即用型」系统，可进行铆接、喷漆、电弧焊、点焊以及微小螺丝紧固应用等等(图5)。这些系统包含末端效应器系统元件、控制器元件、系统软体以及机械手臂，共同组成预先设定好的自动化套件。

　　机器人的控制器会联合设备的其他元件，对工件条码进行扫描以便追踪，然后将测量好的工件移至托盘，以便运送至下个加工站或是移至停留站，由操作人员视需求进行调整或更换。机械手臂具有安全功能，能让操作人员和机器人在同一个工作空间内作业，而不需要防护栅栏或其他屏障，因此不会妨碍工作流程。

　　自动化任务甚至不必是完整的操作，也能证实具有经济效益。举例来说，BMW Group 已将机械手臂整合到现有工作流程中，以生产汽车的加固侧梁，目的是将需要精准度的重复性任务从操作人员手中接手，否则操作人员很难在整个工作班次中维持精准度。这项任务是将许多金属强化板，沿着框架的几个点放置，再将框架推入自动化焊接站。然而，随着时间的流逝，重复执行这种简单的定位工作会使操作人员疲劳，从而导致错误增加，产量减少。

　　BMW 将机械手臂安插到这项作业中，在操作人员清点出正确数量的强化板并将其交给机器人后，让机器人专门负责正确定位强化板的任务。整个工作流程不需要其他变更。但是，在机器人扛下操作人员的精准放置任务后，即可减少疲劳所造成的错误，并确保整个工作班次都维持在该有的产量。机器人具有安全功能，因此能与操作人员并肩工作，而不需要变动工作空间。

　　结论

　　工业机器人以往一向被视为大型工业设施的专属工具，主要原因在于成本、复杂性和安全性。然而，重复性任务的类型不断增加，从简单的定位到复杂形状的喷漆等，采用小型工业机器人的经济效益可行性也越来越高。

　　由于空间需求不大、编程简单、成本不断下降，而且能轻松安全地整合到以人为中心的既有工作流程中，而无需实体屏障，因此此类机器人可顺利加入工作团队而不会造成中断。如今，工业自动化已不再只适用于高产量、资金充裕的大型企业，小型工厂也能使用机械手臂。