人机协作机器人在汽车总装行业中的应用与发展

陈晓珊 佟梦晗， 修世超

(1.华晨宝马汽车有限公司 沈阳110043；2.东北大学 机械工程与自动化学院 沈阳110819)

总装工艺是将车身、发动机、变速器、仪表板、车灯、车门等构成整辆车的各零件装配起来生产出整车的过程[1]。在汽车生产四大工艺中，总装是最终控制产品质量的最后一道工序，把控着车辆出厂前最后关卡，所以总装工艺能力很大程度地决定了产品车的质量和性能。当下的各大总装工艺均以人工为主，随着人口红利消失，劳动力成本持续上升，传统制造业逐渐从劳动密集型转向技术密集型[2]。与此同时，第四次工业革命——工业4.0，带来了人机协作的概念，即人与机器人协同工作，这正迎合了总装工厂对机器人的需求[3]。但经过主机厂与装备供应商进行探讨、研发及项目实施并量产，协作机器人在融入实际生产过程中存在的问题也显现出来。为此，各协作机器人厂家应根据实际应用过程中得到的经验以及主机厂的需求不断调整产品布局并优化改进产品性能，使人机协作技术更为成熟。与此同时，汽车总装行业中不断地涌现出许多新的协作机器人应用案例。

1 汽车总装工厂生产线概况及其对协作机器人的需求

目前，主流汽车的总装工厂为流水线生产，经过涂装工艺的车身需要以一定的方式与线体之间进行定位并跟随线体运行，从而完成装配，车身与线体之间的定位方式由于装配工艺的需求，通常分为三种：（1）车身由涂装工厂传送到总装工厂，分别安装于车身的纵梁和尾端两个PaintBar跟随车身来到总装，由工艺定位孔定位于Skid板上的安装架上并进行中心定位，如图1所示。（2）在车身完成一定阶段的装配工作后，改为吊具运输方式，空中吊具通过4个定位工艺孔对车身进行定位，根据吊装质量的不同，在合装之前采用轻载吊具，在合装之后采用重载吊具，如图2所示。（3）在完成车轮安装之后，车辆便可以被放置于地面之上，此时车辆的装配已基本结束，所以此后车辆被放置在 Man Rider传送带上进行运输，如图3所示。

图1 车身输送方式1

图2 车身输送方式2

图3 车身输送方式3

汽车总装工艺的大部分工作由于其复杂的环境及任务因素，基本属于劳动密集型工艺，制造缺陷绝大多数来源于人为失误，工业系统中人因工程学条件欠缺不仅损害作业人员的职业健康还直接影响生产效率和产品质量。带有多传感器的机器人工作站可以完成复杂动作，用以代替人工操作，但是基于工厂安全要求，普通工业机器人必须安装护栏，与操作者隔离，保证员工安全[5]。

协作机器人的目的是将机器人的性能与人的能力结合起来，人有很好的解决不精确运动的能力，机器人具有高精度，动力和耐力。机器人与人的结合作业所组成的工作系统可同时具有高精度、动力、耐力和处理不确定因素的能力。

2 人机协作在工厂的应用

玻璃涂胶是总装工艺中非常重要的环节，其涂胶的质量会影响汽车座舱的密封性能和玻璃的粘接姿态，所以为了得到良好的胶形，大部分主机厂会选择机器人涂胶。如图4所示为总装线后挡风玻璃机器人涂胶工作站，基于工厂安全的需求，该工作站的全部设备需由护栏包围，此区域禁止操作人员进出，占地面积非常大，由于总装线体造价十分高昂，大量占用线旁空间而只完成单一工作是对资源的浪费。而使用协作机器人来完成涂胶工作，操作者就可以在其工作区域活动，而不会产生安全问题，如图5所示协作机器人三角窗涂胶工作站，操作者可以进入到工作站中，在IIWA机器人执行涂胶动作的同时放置需要涂胶的新零件并取走已经完成涂胶的玻璃，其他操作者在有需要的情况也可以进入此工作空间。

图4 传统机器人玻璃涂胶

图5 协作机器人涂胶

协作机器人不仅能节省围栏空间，而且还可以与操作者进行合作，完成操作，MINI汽车的前防撞梁为铆接结构，其组装在动力系统分装线的线旁完成。其由多个动作来完成，如果全部由人工完成，操作者需要反复拾取和放置拉铆枪，在规定节拍时间内无法完成一个防撞梁的组装，且频繁拾取重物会危害人体健康，严重的会产生职业病。而此工作中的一些复杂的工件摆放动作如果由机器人来完成，其成本非常高，所以在工厂不断地重视员工关怀以及人机工程学下，应用工业4.0背景下的人机协作技术开发的人机协作零件组装工作站被应用于线旁来完成防撞梁的组装工作，如图6所示。在此工作站中，操作者完成轻质零件的拾取及放置工作，工作站中的视觉系统定位组装零件的铆钉放置位置，协作机器人在获得铆钉位置后，携带拉铆枪完成拉铆工作。

图6 防撞梁组装工作站

3 协作机器人在总装工厂的应用

目前产能最高的单体工厂，生产速度高达 64辆/小时，其得益于大量的人机协作技术应用。

天线罩涂胶大多位于主线的线旁，如采用传统机器人涂胶，则需要配合防护网使用，占用很大的线旁面积，且由于防护网阻隔了线旁空间，对线体的整体布局规划非常不利。因此，天线罩涂胶大多采用人工操作，但此工艺操作需要胶型准确，而人工操作并不会像机器人操作那样具有高度的精准性。如果胶形不准，可能会导致胶合时胶水溢出，或产生漏水，这可能影响产品车的质量。因此采用无需围栏的人机协作机器人在线旁完成涂胶工作，是最佳的解决方案。采用人机协作机器人IIWA进行涂胶工作，如图7所示，此涂胶工位结构紧凑，且可以由操作者快速完成天线罩的放置及拾取工作，相比于传功工业机器人涂胶，加快了工作节拍，并节省了加装护栏等设备的成本。

同样人机协作机器人也使无防护栏的快速在线检测成为了可能，如图8所示。在仪表分装线，采用UR协作机器人进行在线质量检测，即不影响仪表板的正常通行及生产节拍，又不会阻碍操作者正常的线旁同行。在不对生产线带来任何负担的情况下，高效、高精度地进行质量检测，从而确保产品车的质量与客户的乘坐体验。

图7 人机协作涂胶

图8 人机协作在线检测

在取得一定成果的同时，针对未来的智能工厂，开发出人机协作机器人在移动线上与车身同步作业概念设计，如图9所示。在移动式生产线上，传统机器人无法做到与操作者同时进行工作。但可以将协作机器人装夹在车身上，并且由顶部钢结构承担其重量，从而避免该机构对车身产生额外应力而影响产品质量。与此同时，协作机器人可以配合操作者对车身进行工艺操作，从而实现高精度、高稳定性与高灵活性相结合。

图9 人机协作机器人在移动线上与车身同步作业概念设计

4 协作机器人技术的发展趋势

基于安全要求，大部分协作机器人的协作模式会将功率限制在80W以内[6]，受到诸多因素的限制，协作机器人在小负载工况下的工作不会受到太大的影响，但是在大负载工况下，其运行速度受到了极大的限制。汽车产业中的总装工厂有着严格的节拍要求，且大部分组装零件质量较重，极大地影响了协作机器人实用价值。目前在全球总装工厂中，协作机器人被用来完成涂胶工艺，以及检测等小负载的工艺过程。

为了解决协作机器人的负载、速度及功率限制，皮肤形式的距离传感器及多传感器协同工作或为未来的发展方向，此传感器可以识别物体靠近，提前减速并停止，以防止撞击人体。但此技术的难点在于：

（1）操作者的运动路线随机性大，简单逻辑很难完成准确识别，如使用复杂逻辑，会降低机器人的可靠性，而工业机器人的可靠性是目前最重要的评价指标。尤其在总装生产线，任何一台在线机器人的故障，都有可能导致整个主线的停止，进而给企业带来较大的利益损失，据不完全统计，传统工业机器人每年的故障次数约在1～2次。

（2）协作机器人的部分安全逻辑会在非标设备安装到现场时进行设置，目前现有的协作机器人的安全逻辑控制较为简单，如新型安全系统的编辑非常复杂，会大幅度增加其集成的成本。

（3）新型安全传感器的成本控制，目前，已有公司就此展开研究，并形成实际产品，但没有通过安全认证。未来，随着科技的进步和产品的不断成熟，协作机器人将会向传统工业机器人的性能方向发展，并且更加智能化，但其永远无法取代人类对模糊逻辑的处理及判断，人与协作机器人会朝着协同工作的方向发展。

5 结语

随着制造业工艺要求的提升，人机协作机器人将会具有越来越广泛的应用前景。协作机器人研发公司应根据市场及潜在需求调整战略布局及研发方向，以使其产品符合实际日益增长的生产需求。