人機協作(HRC)已成為自動化中不可或缺的一環。智慧機器人的願景非常明確：機器人協助人類，而非人類協助機器人。機器人可協助完成對人類而言困難或是不符合人體工學的任務，讓人們僅需要運用高階的認知能力，機器人就會在最短時間內適應新環境。
現在已經很難想像沒有自動化的生產環境。現今，我們已經可以靈活運用自動化的工具，由於工業機器人發展日新月異，具備執行新任務的能力，能夠與人類更密切合作，因此人機協作(HRC)已成為自動化中不可或缺的一環。然而，人們對於未來機器人進入公共領域，仍有不同的看法，有些人將機器人視為搶走人類工作的產物，也有人認為它們是夢幻工具，並憧憬著運用機器人使生活更便利。
智慧機器人的願景非常明確：機器人協助人類，而非人類協助機器人。機器人可協助完成對人類而言困難或是不符合人體工學的任務，讓人們僅需要運用高階的認知能力，例如學習能力、從經驗中學習、感官知覺、創造力、即興創作等。機器人則可運用其力量、重複性、速度和品質增進人們的優點，例如智慧型手機和電腦已成為我們日常生活的一部分，而會計師也不再手動新增數據欄位－因為他們使用機器。
人類與機器人之間的直接合作，稱為人機協作，主要運用於自動化程度較低或毫無自動化的產業。最典型的範例為汽車產業：在素車體的生產過程中，有95%的自動化製程，僅有5%的手動製程，最後的組裝則完全相反。使用機器人輔助可大幅簡化需要極大力量或不符合人體工學的任務，因此，有必要開發出能與人類操作者安全合作的新一代機器人。此類機器人已開始運用於組裝引擎和變速箱以及最後的組裝階段中，不過，HRC在許多其他產業和應用領域中同樣具有極大的潛力。
人機協作始終以「人」為中心
為了能與人類順利合作，機器人必須具備特殊屬性。其人體工學必須設計為可以直接接觸，為了有利於與人類接觸，機器人必須能將儲存於系統中的動能最小化以限制速度，並能可靠地偵測碰撞。所有機器人皆是利用軸上的整合式感測器確保能「感知」環境，並立即反應。
HRC必須考量整體性及周圍環境。除機器人的安全外，機器人與人類共用的工作場所也必須符合一定的標準，以確保協作時，將風險降至最低，因此需要符合安全的工作單元概念，最重要的是操作者必須能在安全的環境下接受機器人輔助。
另一方面，人機協作也代表著責任。「人」始終是中心、焦點－而機器人從旁協助，絕不能危及人類的人身安全。因此，機器人必須符合新的安全需求。當然，要處理這些需求有各式各樣的方法。基本上，將保護使用者的安全功能與確保機器人本身安全的功能區分開來，是一種可行的方式。
例如，機器人周圍的區域是否安全？它需要使用哪些工具？這些都是必須解決的問題。把機器人系統安全性的責任丟給整合商或使用者是不正確的做法。除非機器人在特定應用中是安全的。思考人類與機器人的相似程度，因為一般而言，幾乎所有機器人都能以某種方式進行 HRC。以下是四種變體方式：
釐清機器人的應用後，下一個問題是機器人，是否提供了所需的安全功能。例如：
*安全碰撞偵測
*安全力道監控
*安全工作空間和受保護空間
*安全位置監控
*安全速度監控
*安全輸入和輸出
*安全工具偵測
*安全方向監控
*安全狀態切換，以在特定應用的安全上來回切換
此外，上述安全功能符合DIN EN ISO 13849 PLd Cat 3和 DIN EN 62061:SIL 2標準。安全功能由各種元件構成，例如感測器、安全控制電子元件。每個元件都對整體安全功能非常重要，因此，每一元件都應合格。
協作安全性優先
再下一步，就是要在工作空間內安全地配置機器人。例如，碰撞偵測、力道監控等安全功能，在整個機器人工作空間內是否都有效？如果測量準確度有限，或者工作空間內的特定位置、或是機器人結構的特定部分缺乏測量準確度，是否仍可確保安全？
接著，還有安全技術的力道測量準確度。例如，若力極限設為120N，而機器人只能以130N的準確度進行測量，便是不夠的。如果機器人以110N的準確度進行測量，只能施加10N的力，這就會限制應用的範圍。
此外還應測試機器人的彈性。靈敏、安全的機器人雖已配備測量技術，但仍必須堅固。因此，必須知道機器人能夠耐受的程度如何，並確立測試方式－要採無負載、部分負載或是全負載。
最後，機器人必須經過撞擊測試。唯有如此，才能判斷機器人過載或經歷撞擊後是否仍然安全。如上所述，人，是人機互動的重點，因此，在特定應用的風險分析過程中，至少必須解決上述所有問題。如果機器人安全功能是合格的，這將容易許多。取得機械指令要求的CE標誌，也可確認應用安全性。但若是以不當方式取得CE標誌，在發生損壞時，將會有很高的責任風險，當然也包括個人責任在內。
第一個問題的答案是，機器人是機械，人要對其安全運作負責。只要實行可靠、穩健的安全措施，人就不必害怕人機協作。
為了確保未來生產的最大靈活性，將HRC與移動性連結，將是下一個必然的趨勢。若把輕型靈敏機器人的優點與移動式自主平台作結合，機器人將會成為不受位置限制且極為靈活的生產助理，並擁有無限制的工作空間－這會是滿足工業4.0需求的理想基礎。
在物流中心，人類、機械、機器人與輸送系統需要緊密連結，以便有效率地管理物流。透過感測器和網路化IT系統，整條供應鏈中的每個元件都可以在適當時機執行最佳決策。例如，在現代影像處理系統的輔助下，自動化揀貨應用中的協作型機器人可以直接從貨櫃中揀出自動化儲存系統所送出的已備妥貨品。因此，人類就有更多的時間執行更多其他任務來加強流程。
拜HRC解決方案所賜，機器人與人類可形成一個理想的生產團隊。人類仍具有認知力、可發揮創造力，並扮演策略家的角色，機器人則是將重複性、力量和耐力帶入協作，同時符合最高安全標準，且其能力將不斷提升。機器人會持續以更佳方式與人類合作，能夠越來越精通手勢控制和語音控制、認識所在環境，並直接整合至可變流程。智慧型機器人也將能夠移動、學習、分享知識和集體行動－因而能在未來工廠中扮演重要的角色。
結合人與機器人的優點
機器人第一次工業應用經過 40年後，現代工業機器人預計將帶來更多挑戰：智慧機器人供應商KUKA推出新的LBR iiwa協作機器人，提供適用於工業應用的輕型機器人，強調其靈敏、精確，且配備用於工業操作的機械和驅動系統，預示新一代機器人的來臨。而這正是此輕型機器人的名稱所代表的意義。LBR iiwa–intelligent industrial work assistant(智慧型工業工作助手)。
該機器人非常接近人類手臂的運動順序，它可在位置、扭力或阻抗控制模式下運作。整合式感測器和阻抗控制使機器人在自動操作中具有可編程順從性(關節座標，卡氏坐標)。這也為機器人賦予觸覺。因此，機器人的任務不再是以位置準確度為基礎來解決，而是透過順從性。各軸上的整合式關節扭力感測器提供靈敏的碰撞偵測功能，使HRC成為敏感接合流程的解決方案，並允許使用簡單的工具來達成。由於順從性來自機器人而不是工具，客戶可以省下工具中的成本密集型技術以及複雜的周邊設備。機器人並可對外力作出反應，借助靈敏的碰撞偵測系統，輕型機器人能夠快速移動至接觸點，縮短工作週期時間。
HRC也將為人類與機器人的互動開創全新的可能－這會呈現在簡單、人性化的操作上。使用者可快速、直接地用手將輕型機器人移動至任何位置。這種由操作者「透過示範」來編程路徑的手動教導，可縮短編程時間。LBR iiwa簡化了編程工作，這對少量多樣的情況特別有利。
就機器人自動化解決方案的建置而言，人們越來越需要將機器人與人類操作者的優點結合，實現整體最佳化－藉此可免去實體安全圍欄。相關需求包括：機器人/操作者共用工作空間、機器人輔助、直接人機協作(機器人與操作者之間的直接合作)。機器人也可以安裝在移動式平台上，展現極大的靈活性。輕型機器人就如同人類工作者的「第三隻手」，機器人與人類合作，以各自技能完美互補。輕型機器人的手臂具有靈活的運動功能，能夠靈敏地感覺物體並精確執行困難的工作。機器人還可改變位置、進行調整，以最符合人體工學的方式協助人類。例如，輕型機器人可負責費力的操作和高處作業。
光是人機協作，還不足以提升長期生產靈活性，機器人還必須能夠用於移動應用，而不是像現在一樣固定在永久位置。例如，在移動式平台上，機器人能以獨立移動的方式輸送貨物或加工工件。它們以公釐的準確度對準工件，或移動至工件位置來反轉程序，而不是讓工件移動。新的應用將成為可能，尤其是由電子商務的成長所推動的物流和倉儲。當然，將移動式機器人用於辦公室、服務或醫院也有可能實現。
拜現代導航軟體之賜，工廠中的移動式機器人目前已可在不需地面標示、感應迴路或磁鐵的情況下移動。不僅如此，移動式平台還能建立周遭環境的地圖，並提供此資訊給其他單元，藉以建立共同的移動和路線排程，且所有機器人的移動都能彼此協調。如果工廠的生產環境改變，機器人會在最短時間內靈活適應新環境。未來，工廠的員工可以將機器人帶到工作場所－就像上班族的行動辦公室一樣。
現在，自動化生產設施變為現實已有多年，「機器人聯網」也已存在。然而到目前為止，這些高效率、高度靈活的系統都是為滿足特定客戶需求的一次性解決方案。如果工業成功制定開放的通訊和資料標準並推行至全球，生產流程將可互通，甚至遠遠超出工廠之外。也唯有如此，「自動化聯網」才會形成－這類雲端解決方案將充分發揮結合綜合生產資料、創新生產流程、靈活網路化與靈敏元件的潛力。這將是智慧型生產解決方案的最終突破。具體例子包括：利用自動學習系統來分析訂單資料和能源價格波動、確定生產能力利用的自由度，並根據製造期間的能源消耗，在生產過程中自動將產品的生產順序最佳化。因此，「自動化聯網」不僅可提高生產力，還能確保有效利用資源。
開放型網路化和協作是工業4.0的核心概念，畢竟，機器人將在未來的工廠中扮演關鍵的角色。採取這些措施的工業國家將能夠提升競爭力並因應人口的變化。
(本文由KUKA提供)