文/曹小胖， 華夏基石特約專家， 德國機械工程碩士、資深精益專家、工業4.0專家
新一代的機器人正在征服整個工業。 他們不再躲在高高的防護網之內，
從理論到實踐：人機協作是不是已經運用到了實踐過程當中？既然安全和生產效率的話題在人機協作運用中起著決定性的作用， 如何判斷新一代的機器人到底是不是安全？是不是當一個機器人在接觸到人類的時候馬上停止就足夠安全了，
本文將從人機協作的現狀分析， 應用實例， 優勢與挑戰， 前景展望的角度全方位解讀當今工業4.0/智慧製造的關鍵技術領域——人機協作。
工業機器人的現狀解析以及發展趨勢展望
從應用領域來看， 2016年的資料顯示， 全球的工業機器人安裝案例， 50%應用於裝卸、移動和堆垛；25%應用於焊接工序；10%的應用在裝配工位；4%應用於噴漆以及表面處理； 而只有2%是應用於機加工。 數據體現出：當前的工業機器人主要應用在技術智慧化程度低， 高重複度的簡單工序中， 而在精密加工中的應用還處在初級階段， 開發潛能巨大。
從應用程度來看：自2001年起至2015年， 全球工業機器人的應用從01年的75000案例到2015年的253000案例， 15年間翻了三番。 據專家推測至2019年全球的工業機器人安裝案例將飆升至414000。
從各個國家的分佈來看， 從2011年開始中國成為全球最多安裝案例國家， 在2019年中國將遠遠超過德國、日本、歐洲和北美， 佔據全球36%的安裝案例。 但就機器人使用密度(每一個工業機器人在1萬員工的使用比率)而言， 與日本、德國、北美和韓國等機器人集中應用于高自動化汽車行業的密度相比，
工業機器人作為未來的重要生產工具， 目前有六大技術發展趨勢。 首當其衝是人機協作， 這個我們之後會繼續詳細介紹；接下來是機器人與CAD/CAM資料互相連通， 隨著大資料和雲計算技術的成熟以及PLM、ERP、MES、CRM縱橫資料的貫通， CAD/CAM資料直接和工業機器人進行連接， 減少生產準備時間， 提高資料傳輸品質和生產效率; 第三個趨勢是提高投資回報率， 隨著機器人產能擴張， 應用數量大幅增加， 所有機器人以及總體設備的成本降低， 對應於全球人工的成本增加， 機器人應用的投資回報率將明顯提升; 第四個趨勢是智慧感測器的應用，為了提升新一代人機協作機器人的生產效率，同時保障安全性能，智慧感測器的技術將為未來優化人機協作鋪平道路; 第五個趨勢是機器人的感官認知能力的增強，隨著工作環境的計畫變化或突發變化，機器人必須要運用自身的感官認知能力去及時應對改變的環境; 第六種趨勢是簡化機器人程式設計，可以有人來教機器人去學習各種各樣的技能和操作順序，然後機器人來選擇最優路徑，並考慮與其他部件的干涉性來進行重複性的工作，以減少程式設計的複雜性和難度。
提高投資回報率，降低成本，是以上提到的工業機器人的第三個技術趨勢。我們可以通過以上的圖表可以看到，自1990年開始到2014年，工業機器人的成本在美國和德國平均成本至少降低了50%，在2014年，一個美國工業機器人的平均成本為44000美元，與此同時，隨著科技的發展，機器人的很多性能得到進一步提高，具體體現在精確性、速度、負載、程式設計、控制、診斷、感測器方面。
除了機器人本身的成本，還有整個系統的集成成本影響著機器人項目的投資回報率。機器人的成本與整個系統的成本比例，以點焊機器人系統為例，約為1:4到1:5。在2014年，小型點焊機器人以33000美元為基點，所有的安全防護措施及感測器的成本為45000美元，系統的程式設計安裝以及集成為46000美元，項目管理為9000美元。隨著工業機器人廣泛運用，硬體，程式設計以及集成成本在未來的五年及十年內會大幅度下降，到2025年，機器人的成本會縮減到28000美元，安全防護措施會減少到36200美元，程式設計以及安裝費用會減少到33200美元，項目管理費用會減少到7000美元。
人機協作及其應用前提
到底人機協作是什麼? 人機協作分哪幾個層次? 人機協作和現有的工業機器人的全自動生產方式有什麼區別？現在我開始給大家一一道來。首先第一層面，被稱為封閉式單元層面，即傳統的工業機器人處於高高的安全護欄網之內，進行全自動生產，它與人沒有任何的接觸，當人打開安全門要進入機器人工作區域的時候，機器人馬上停止工作，人的作用只是操作，監控以及排除故障，不參與直接生產，是一種隔離式的工作方式。第二個層面便開始了人機協作的初始層面，與傳統工業機器人不同的是，人機協作處於一個開放式的工作環境，人與機器有間接或直接的接觸，共同參與生產。第二個層面被稱之為共存層面，意思指的是，雖然有開放的工作環境，機器人與人都參與生產，但兩者有自己獨立的工作範圍，兩者不生產同一件產品，兩者互不干涉，互不交集，中間或有光柵，或有感測器，攝像頭來判斷人與機器操作空間的距離，當人與機器人進行產品交接時，機器人暫緩或者停止運動，確保人身安全。此層面對于機器人無需太高安全要求，借助系統集成的安全方案可以使系統安全運作，但為此付出的代價是犧牲機器人的生產效益，因為工人在接近機器人的過程中出於安全原因被迫減緩速度或者停止運動。第三個層面稱之為同步層面，意思是指，除了自己的生產區域工作以外，人和機器人還擁有一個有共同交集的生產區域，兩者一起同步參與生產產品，但在交集區域，只有人或者機器人在同一時間內進行操作，按照工作內容的分工分別進行生產。當人在交集區域操作的時候，機器人在屬於自己的工作範圍內進行操作，不可以進入該區域，當人離開此區域後，機器人可以在此區域進行生產，與此同時人可以在自己的區域裡面生產。當人在此時進入交集區域時，機器人處於安全考慮減緩速度或者停止運動。第四層面被稱之為合作層面，它克服了第三層面有交集區域但不能同時工作的缺陷，可以使人和機器人在同一個交集區域同時工作，機器人不會停止運動，因為人和機器人不同時在同一個部位生產，彼此合作卻不互相影響。第五層面，即是最高的層面，也是真正意義上的協作層面，代表著人和機器人在同一個區間，同時，在同一個產品協作生產。
目前90%的實際應用集中在第一至第三層面，分水嶺在於人和機器人是不是在同一交集區域工作。
人機協作的應用前提，完全取決於生產產品的數量和產品品種的多少。一方面，當產品的數量對於全自動生產的方式而言太少，但對於人工生產方式而言過多，另一方面，當產品的品種種類對於全自動的生產方式而言太繁多，但對於人工生產方式而言又太單一，當這兩個條件同時符合的時候就是人機協作的大施拳腳之際。隨著工業4.0深入發展，智慧產品層出不窮，產品會朝個性化、多樣化發展，取代原先批量生產、品種單一的特徵。人機協作也是在這樣的大前提下應運而生，成為除了全自動、半自動、人工生產方式以外的第四種生產方式。
人機協作的優勢
前面到了人機協作的分層，那接下來就給大家介紹一下人機協作所具有的明顯優勢。
縮短距離
在講述封閉式單元層面的時候，就已經提到現有傳統工業機器人是在高高的安全護欄網之內進行生產，而人機協作的第一個優勢就是去除了那些高高的安全互聯網，將人和智慧型機器人融為一個整體，從而減少了人和機器人之間的距離。這也是意味著，整個工位的面積會大大減少，物料的上料下料以及物料在工位裡面的流動會變得更加簡單和容易，並且有效地減少了員工走動，搬運的輔助時間。
優化人體工程學
人機協作的第二個優點是，是充分結合了人和機器的優勢，彼此取長補短，優化了整個工位的人體工程學。因為機器的優勢在於它持久性長，精確度高，有極其穩定的力量、位置和速度的調控能力，人的優勢是極其敏感，認知能力強，積累了豐富經驗，通過吸取教訓提升自身能力，並且能夠對於突發的情況進行控制和下決策。在裝配高精度的重型零部件時，人工協作便凸顯出其將人和機器的的優點結合在一起的優勢。
破除地域限制
人機協作的第三個優點在於破除了安全護欄網的同時，人機協作使智慧型機器人可以不受固定的地理位置限制，而隨著實際的需求，在不同的地方進行工作，使可轉變的柔性生產成為可能。傳統的非柔性生產是指生產設備按照預計最優化的節拍進行設計和實現，而在生產需求變動的情況下通過工人數量和工作內容的變化來做相應的調整，但生產設備卻沒有達到最優化的使用率。人機協作消除了安全保護網在實際生產當中的里程碑式的作用，使機器、設備和物流的參數變更變得更為容易，並且消除了自動化生產區域和人工生產區域的鴻溝，使生產設備的有效使用率達到最高。
破除地域限制，參與可轉變的柔性生產這個優點可以在下面的圖表中顯現出來。以柔性設計安裝汽車車門為例，當生產節拍需求超過107秒的時候，一個工人就可以獨立完成車門的安裝;當節拍需求介於74秒到107秒的時候，一個工人和一個智慧型機器人可以協同去安裝車門; 當節拍需求介於55秒到74秒的時候，有兩個工人一起裝配練車; 當節拍需求介於37秒到55秒的時候，兩個工人和一個智慧型機器人就可以在兩個不同的工位上進行協同裝配; 當節拍需求介於28秒到37秒的時候，就可以同時有四個工人在兩個不同的工位上面進行裝配。智慧型機器人按照實際需求參與裝配工作，使其有效使用率達到最大。
提升直觀能力
人機協作的第四個優點在於，智慧型機器人的直觀能力提高，使程式設計的效率提高，也簡化了程式設計的步驟，降低了程式設計的門檻，使沒有專業程式設計背景的操作員可以輕鬆操作智慧型機器人。操作員可以手把手教機器人，讓它按照所要求的步驟和位置進行類比，機器人則通過自身智慧程式計算出最優路線，然後可以按照操作員工所教導的進行實際操作。
降低成本
人機協作的第五個優點是可以減少安全防護措施、感測器及其程式設計的成本，因為之前也提到，安全防護措施及感測器的成本幾乎占整個系統的20%到25%，將安全防護措施、感測器及其程式設計的功能集成在智慧型機器人內部，並且通過引入人來參與生產系統，利用人的優勢來減少整個系統對於感測器的依賴，系統集成的總成本便會相應減少。
通過人機協作的參與，整個生產過程也因此保持可持續發展，生產效率也同時得到持續性提高，使高成本生產國家有機會和能力保住現有的工作崗位，提升自身的全球競爭力，甚至使從低成本生產國家手中重新獲得新的工作崗位成為可能。
人機協作的挑戰
每一塊閃亮的金牌背後都充滿了荊棘，困難和挑戰，人機協作也不例外。如何根據實際裝配產品的大小、重量、精度和節拍要求，智慧設計感測器和機器人以及系統集成，在保證安全的前提下避免機器人停機，減少減緩速度的時間空間，成為了提升人機協作的使用率，深化人機協作率的重要前提和最大挑戰。
由於人機協作以及機器人應用隸屬于機器設備，所在在介紹關於人機協作的安全要求前需要先介紹機器設備的安全要求，即DIN EN ISO 13849 以及DIN EN 62061。兩個標準的側重點不一樣，DIN EN 62061 以SIL(安全集成等級)來作為評估級別，它主要從電器、電氣以及可程式設計的控制系統這三方面來評估整個系統的安全等級，而DIN EN ISO 13849則以PL(執行等級) 來作為評估級別，著重於設備，從液壓部件、壓縮氣體部件和機械部件，按功能安全要求去進行評估。下圖是兩種評估標準的案例。對應每個評估等級都有其相應的安全要求。
在DIN EN ISO 13849 以及DIN EN 62061的基礎上，EN ISO 10218-1/-2 以及ISO/TS 15066:2016版本都有關於機器人安全需求的詳細記載，前者是規定工業機器人的安全標準，後者是規定人機協作的安全標準，以及對於人機協作系統及應用的風險評估。安全需求分為四種案例，第一種案例是, 當人進入到具有安全防護欄的封閉或者開放式工作系統之時，機器人就立刻停下; 第二種案例是，在人引導機器人進行運動的情況下，當安全按鈕被按住，機器人以緩慢的速度開始運動，反之則機器人保持靜止; 第三種案例是對於人或物體位移速度和與機器人距離的監控，當規定的安全距離被打破的時候，機器人會停止; 第四種案例是在人與機器人有接觸的情況下，對機器人功率以及力量的限制，使接觸產生的影響力小於限定值。在ISO/TS 15066:2016中通過以下這些標誌來對各種危害源進行歸類和提醒。
鑒於人機協作工作系統涉及到人身安全，所以在規劃執行人機協作專案當中，除了要按照之前提及的標準定義專案的安全等級外，還要根據EN ISO 12100對專案進行風險評估，風險分析以及採取措施降低風險。具體的流程安排如下，首先是對整個工作系統的界定，哪些包含在系統內，哪些不屬於，在定義系統的範圍之後，就需要來識別系統中有哪些危險源，然後對於會產生的風險來進行相應推測 (此三部被稱為風險分析)。針對推測出來的風險進行風險評估，並判斷這個風險是否能夠成功規避 (至此被稱為風險評估)。 如果風險可以被規避到可以接受，那就需要去做文檔記錄並結束對此項的評估。 如果這個風險不能夠被規避，則需要通過變更系統設計，添加額外的安全保護措施或者更新操作指導書並提醒操作員工相關注意事項。在決定採取這些措施之前，仍然要判斷是否會因此產生新的危險源並經行新一輪的分析和評估，直至風險能夠被規避並可以接受為止。
作為人機協作非常重要的一部分，抓鬥連接於智慧型機器人手臂上，與工具/加工部件和人有直接接觸。我們從剛剛提到的安全標準來看對抓鬥的三種不同的安全要求。基於EN ISO 12100，從普遍性設備的風險評估出發，對抓鬥的要求是要緊緊抓住工具/加工部件，不能夠使部件脫離, 也就是意味著當抓鬥失去能源來源或者是處於緊急停止狀況，它仍然能夠通過自身來緊緊抓住部件; 根據DIN EN ISO 13849，作為控制系統的一個組成部件，抓鬥需要確保安全的運行，即可以隨時感應到外界的接觸，同時有自身的防護措施; 基於EN ISO 10218-1/-2 以及ISO/TS 15066:2016，通過設置不會導致傷害的抓力以及添加相應的感測器，進行即時監控，當抓鬥判斷出與人有直接接觸而不是工具/加工部件時，馬上調整抓力，確保抓鬥不會傷害到人。
除了要達到安全要求，人機協作是不是能夠有很高的投資回報率也是人機協作繼續發展的前提條件和巨大挑戰。整個系統的成本由兩部分組成，首先是硬體方面的成本，包括智慧型機器人、抓鬥、控制系統、安全系統，其次是集成和認證方面的成本，包括集成商程式設計以及專案管理成本，以及協力廠商機構的風險評估、認證費用。 與純人工工作系統相比，人機協作必須在速度、柔性、品質三方面展現其巨大優勢，才能較之其系統成本確保較高的投資回報率。
當然，如何讓生產中的員工可以接受人機協作，讓整個工作系統按照起初的設計理念進行人機無縫運作，也作為另外一個不可忽視的挑戰。
人機協作的實踐路徑
在深入瞭解何為人機協作，其優勢和挑戰之後，如何實施人機協作便成為下一個需要討論的問題。根據過去實施的人機協作案例進行歸納總結，分析-制定方案-可行性研究-實現是一條值得遵循的實踐路徑。
分析: 根據實際裝配產品的大小、重量、精度、數量、品種和節拍要求進行分析，哪些工作系統適合標準自動化，哪些適合純手工加工裝配，哪些工作可以交付智慧型機器人完成，如何讓機器人與人協同工作，從而可以從中受益。作為成果，適用於人機協作的工作系統得以確認。
制定方案: 根據被確認的工作系統，建立不同的人機分工方案、類比流程，並根據系統要求評估各個方案，從人力成本、系統成本、占地、物流、資訊流、技術風險和難點、安全需求等方面綜合比對，最後得出最優化的方案。
可行性研究: 通過實際測試或類比，針對流程和安全風險和難點進行可行性研究，從而確保方案的可行性和安全性。
實現: 按照方案和可行性研究的結果進行實施，完成專案。
總結與展望
從安全的角度來說，現有的工業機器人處在安全防護欄之後進行工作，並非已被時代所淘汰，因為它的優勢在於，非常低的設計成本，相對簡單的風險分析，以及擁有非常穩定的高生產率。隨著人機協作的層面不斷進深，相對的風險評估也會愈加繁複，為減少風險所採取的設計措施也會增加。但隨著工業4.0時代的到來，智慧產品對於生產系統的要求迫使新一代的工作系統必須適用柔性生產，人機協作必然在此領域大展宏圖。
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機器人應用的投資回報率將明顯提升; 第四個趨勢是智慧感測器的應用，為了提升新一代人機協作機器人的生產效率，同時保障安全性能，智慧感測器的技術將為未來優化人機協作鋪平道路; 第五個趨勢是機器人的感官認知能力的增強，隨著工作環境的計畫變化或突發變化，機器人必須要運用自身的感官認知能力去及時應對改變的環境; 第六種趨勢是簡化機器人程式設計，可以有人來教機器人去學習各種各樣的技能和操作順序，然後機器人來選擇最優路徑，並考慮與其他部件的干涉性來進行重複性的工作，以減少程式設計的複雜性和難度。
提高投資回報率，降低成本，是以上提到的工業機器人的第三個技術趨勢。我們可以通過以上的圖表可以看到，自1990年開始到2014年，工業機器人的成本在美國和德國平均成本至少降低了50%，在2014年，一個美國工業機器人的平均成本為44000美元，與此同時，隨著科技的發展，機器人的很多性能得到進一步提高，具體體現在精確性、速度、負載、程式設計、控制、診斷、感測器方面。
除了機器人本身的成本，還有整個系統的集成成本影響著機器人項目的投資回報率。機器人的成本與整個系統的成本比例，以點焊機器人系統為例，約為1:4到1:5。在2014年，小型點焊機器人以33000美元為基點，所有的安全防護措施及感測器的成本為45000美元，系統的程式設計安裝以及集成為46000美元，項目管理為9000美元。隨著工業機器人廣泛運用，硬體，程式設計以及集成成本在未來的五年及十年內會大幅度下降，到2025年，機器人的成本會縮減到28000美元，安全防護措施會減少到36200美元，程式設計以及安裝費用會減少到33200美元，項目管理費用會減少到7000美元。
人機協作及其應用前提
到底人機協作是什麼? 人機協作分哪幾個層次? 人機協作和現有的工業機器人的全自動生產方式有什麼區別？現在我開始給大家一一道來。首先第一層面，被稱為封閉式單元層面，即傳統的工業機器人處於高高的安全護欄網之內，進行全自動生產，它與人沒有任何的接觸，當人打開安全門要進入機器人工作區域的時候，機器人馬上停止工作，人的作用只是操作，監控以及排除故障，不參與直接生產，是一種隔離式的工作方式。第二個層面便開始了人機協作的初始層面，與傳統工業機器人不同的是，人機協作處於一個開放式的工作環境，人與機器有間接或直接的接觸，共同參與生產。第二個層面被稱之為共存層面，意思指的是，雖然有開放的工作環境，機器人與人都參與生產，但兩者有自己獨立的工作範圍，兩者不生產同一件產品，兩者互不干涉，互不交集，中間或有光柵，或有感測器，攝像頭來判斷人與機器操作空間的距離，當人與機器人進行產品交接時，機器人暫緩或者停止運動，確保人身安全。此層面對于機器人無需太高安全要求，借助系統集成的安全方案可以使系統安全運作，但為此付出的代價是犧牲機器人的生產效益，因為工人在接近機器人的過程中出於安全原因被迫減緩速度或者停止運動。第三個層面稱之為同步層面，意思是指，除了自己的生產區域工作以外，人和機器人還擁有一個有共同交集的生產區域，兩者一起同步參與生產產品，但在交集區域，只有人或者機器人在同一時間內進行操作，按照工作內容的分工分別進行生產。當人在交集區域操作的時候，機器人在屬於自己的工作範圍內進行操作，不可以進入該區域，當人離開此區域後，機器人可以在此區域進行生產，與此同時人可以在自己的區域裡面生產。當人在此時進入交集區域時，機器人處於安全考慮減緩速度或者停止運動。第四層面被稱之為合作層面，它克服了第三層面有交集區域但不能同時工作的缺陷，可以使人和機器人在同一個交集區域同時工作，機器人不會停止運動，因為人和機器人不同時在同一個部位生產，彼此合作卻不互相影響。第五層面，即是最高的層面，也是真正意義上的協作層面，代表著人和機器人在同一個區間，同時，在同一個產品協作生產。
目前90%的實際應用集中在第一至第三層面，分水嶺在於人和機器人是不是在同一交集區域工作。
人機協作的應用前提，完全取決於生產產品的數量和產品品種的多少。一方面，當產品的數量對於全自動生產的方式而言太少，但對於人工生產方式而言過多，另一方面，當產品的品種種類對於全自動的生產方式而言太繁多，但對於人工生產方式而言又太單一，當這兩個條件同時符合的時候就是人機協作的大施拳腳之際。隨著工業4.0深入發展，智慧產品層出不窮，產品會朝個性化、多樣化發展，取代原先批量生產、品種單一的特徵。人機協作也是在這樣的大前提下應運而生，成為除了全自動、半自動、人工生產方式以外的第四種生產方式。
人機協作的優勢
前面到了人機協作的分層，那接下來就給大家介紹一下人機協作所具有的明顯優勢。
縮短距離
在講述封閉式單元層面的時候，就已經提到現有傳統工業機器人是在高高的安全護欄網之內進行生產，而人機協作的第一個優勢就是去除了那些高高的安全互聯網，將人和智慧型機器人融為一個整體，從而減少了人和機器人之間的距離。這也是意味著，整個工位的面積會大大減少，物料的上料下料以及物料在工位裡面的流動會變得更加簡單和容易，並且有效地減少了員工走動，搬運的輔助時間。
優化人體工程學
人機協作的第二個優點是，是充分結合了人和機器的優勢，彼此取長補短，優化了整個工位的人體工程學。因為機器的優勢在於它持久性長，精確度高，有極其穩定的力量、位置和速度的調控能力，人的優勢是極其敏感，認知能力強，積累了豐富經驗，通過吸取教訓提升自身能力，並且能夠對於突發的情況進行控制和下決策。在裝配高精度的重型零部件時，人工協作便凸顯出其將人和機器的的優點結合在一起的優勢。
破除地域限制
人機協作的第三個優點在於破除了安全護欄網的同時，人機協作使智慧型機器人可以不受固定的地理位置限制，而隨著實際的需求，在不同的地方進行工作，使可轉變的柔性生產成為可能。傳統的非柔性生產是指生產設備按照預計最優化的節拍進行設計和實現，而在生產需求變動的情況下通過工人數量和工作內容的變化來做相應的調整，但生產設備卻沒有達到最優化的使用率。人機協作消除了安全保護網在實際生產當中的里程碑式的作用，使機器、設備和物流的參數變更變得更為容易，並且消除了自動化生產區域和人工生產區域的鴻溝，使生產設備的有效使用率達到最高。
破除地域限制，參與可轉變的柔性生產這個優點可以在下面的圖表中顯現出來。以柔性設計安裝汽車車門為例，當生產節拍需求超過107秒的時候，一個工人就可以獨立完成車門的安裝;當節拍需求介於74秒到107秒的時候，一個工人和一個智慧型機器人可以協同去安裝車門; 當節拍需求介於55秒到74秒的時候，有兩個工人一起裝配練車; 當節拍需求介於37秒到55秒的時候，兩個工人和一個智慧型機器人就可以在兩個不同的工位上進行協同裝配; 當節拍需求介於28秒到37秒的時候，就可以同時有四個工人在兩個不同的工位上面進行裝配。智慧型機器人按照實際需求參與裝配工作，使其有效使用率達到最大。
提升直觀能力
人機協作的第四個優點在於，智慧型機器人的直觀能力提高，使程式設計的效率提高，也簡化了程式設計的步驟，降低了程式設計的門檻，使沒有專業程式設計背景的操作員可以輕鬆操作智慧型機器人。操作員可以手把手教機器人，讓它按照所要求的步驟和位置進行類比，機器人則通過自身智慧程式計算出最優路線，然後可以按照操作員工所教導的進行實際操作。
降低成本
人機協作的第五個優點是可以減少安全防護措施、感測器及其程式設計的成本，因為之前也提到，安全防護措施及感測器的成本幾乎占整個系統的20%到25%，將安全防護措施、感測器及其程式設計的功能集成在智慧型機器人內部，並且通過引入人來參與生產系統，利用人的優勢來減少整個系統對於感測器的依賴，系統集成的總成本便會相應減少。
通過人機協作的參與，整個生產過程也因此保持可持續發展，生產效率也同時得到持續性提高，使高成本生產國家有機會和能力保住現有的工作崗位，提升自身的全球競爭力，甚至使從低成本生產國家手中重新獲得新的工作崗位成為可能。
人機協作的挑戰
每一塊閃亮的金牌背後都充滿了荊棘，困難和挑戰，人機協作也不例外。如何根據實際裝配產品的大小、重量、精度和節拍要求，智慧設計感測器和機器人以及系統集成，在保證安全的前提下避免機器人停機，減少減緩速度的時間空間，成為了提升人機協作的使用率，深化人機協作率的重要前提和最大挑戰。
由於人機協作以及機器人應用隸屬于機器設備，所在在介紹關於人機協作的安全要求前需要先介紹機器設備的安全要求，即DIN EN ISO 13849 以及DIN EN 62061。兩個標準的側重點不一樣，DIN EN 62061 以SIL(安全集成等級)來作為評估級別，它主要從電器、電氣以及可程式設計的控制系統這三方面來評估整個系統的安全等級，而DIN EN ISO 13849則以PL(執行等級) 來作為評估級別，著重於設備，從液壓部件、壓縮氣體部件和機械部件，按功能安全要求去進行評估。下圖是兩種評估標準的案例。對應每個評估等級都有其相應的安全要求。
在DIN EN ISO 13849 以及DIN EN 62061的基礎上，EN ISO 10218-1/-2 以及ISO/TS 15066:2016版本都有關於機器人安全需求的詳細記載，前者是規定工業機器人的安全標準，後者是規定人機協作的安全標準，以及對於人機協作系統及應用的風險評估。安全需求分為四種案例，第一種案例是, 當人進入到具有安全防護欄的封閉或者開放式工作系統之時，機器人就立刻停下; 第二種案例是，在人引導機器人進行運動的情況下，當安全按鈕被按住，機器人以緩慢的速度開始運動，反之則機器人保持靜止; 第三種案例是對於人或物體位移速度和與機器人距離的監控，當規定的安全距離被打破的時候，機器人會停止; 第四種案例是在人與機器人有接觸的情況下，對機器人功率以及力量的限制，使接觸產生的影響力小於限定值。在ISO/TS 15066:2016中通過以下這些標誌來對各種危害源進行歸類和提醒。
鑒於人機協作工作系統涉及到人身安全，所以在規劃執行人機協作專案當中，除了要按照之前提及的標準定義專案的安全等級外，還要根據EN ISO 12100對專案進行風險評估，風險分析以及採取措施降低風險。具體的流程安排如下，首先是對整個工作系統的界定，哪些包含在系統內，哪些不屬於，在定義系統的範圍之後，就需要來識別系統中有哪些危險源，然後對於會產生的風險來進行相應推測 (此三部被稱為風險分析)。針對推測出來的風險進行風險評估，並判斷這個風險是否能夠成功規避 (至此被稱為風險評估)。 如果風險可以被規避到可以接受，那就需要去做文檔記錄並結束對此項的評估。 如果這個風險不能夠被規避，則需要通過變更系統設計，添加額外的安全保護措施或者更新操作指導書並提醒操作員工相關注意事項。在決定採取這些措施之前，仍然要判斷是否會因此產生新的危險源並經行新一輪的分析和評估，直至風險能夠被規避並可以接受為止。
作為人機協作非常重要的一部分，抓鬥連接於智慧型機器人手臂上，與工具/加工部件和人有直接接觸。我們從剛剛提到的安全標準來看對抓鬥的三種不同的安全要求。基於EN ISO 12100，從普遍性設備的風險評估出發，對抓鬥的要求是要緊緊抓住工具/加工部件，不能夠使部件脫離, 也就是意味著當抓鬥失去能源來源或者是處於緊急停止狀況，它仍然能夠通過自身來緊緊抓住部件; 根據DIN EN ISO 13849，作為控制系統的一個組成部件，抓鬥需要確保安全的運行，即可以隨時感應到外界的接觸，同時有自身的防護措施; 基於EN ISO 10218-1/-2 以及ISO/TS 15066:2016，通過設置不會導致傷害的抓力以及添加相應的感測器，進行即時監控，當抓鬥判斷出與人有直接接觸而不是工具/加工部件時，馬上調整抓力，確保抓鬥不會傷害到人。
除了要達到安全要求，人機協作是不是能夠有很高的投資回報率也是人機協作繼續發展的前提條件和巨大挑戰。整個系統的成本由兩部分組成，首先是硬體方面的成本，包括智慧型機器人、抓鬥、控制系統、安全系統，其次是集成和認證方面的成本，包括集成商程式設計以及專案管理成本，以及協力廠商機構的風險評估、認證費用。 與純人工工作系統相比，人機協作必須在速度、柔性、品質三方面展現其巨大優勢，才能較之其系統成本確保較高的投資回報率。
當然，如何讓生產中的員工可以接受人機協作，讓整個工作系統按照起初的設計理念進行人機無縫運作，也作為另外一個不可忽視的挑戰。
人機協作的實踐路徑
在深入瞭解何為人機協作，其優勢和挑戰之後，如何實施人機協作便成為下一個需要討論的問題。根據過去實施的人機協作案例進行歸納總結，分析-制定方案-可行性研究-實現是一條值得遵循的實踐路徑。
分析: 根據實際裝配產品的大小、重量、精度、數量、品種和節拍要求進行分析，哪些工作系統適合標準自動化，哪些適合純手工加工裝配，哪些工作可以交付智慧型機器人完成，如何讓機器人與人協同工作，從而可以從中受益。作為成果，適用於人機協作的工作系統得以確認。
制定方案: 根據被確認的工作系統，建立不同的人機分工方案、類比流程，並根據系統要求評估各個方案，從人力成本、系統成本、占地、物流、資訊流、技術風險和難點、安全需求等方面綜合比對，最後得出最優化的方案。
可行性研究: 通過實際測試或類比，針對流程和安全風險和難點進行可行性研究，從而確保方案的可行性和安全性。
實現: 按照方案和可行性研究的結果進行實施，完成專案。
總結與展望
從安全的角度來說，現有的工業機器人處在安全防護欄之後進行工作，並非已被時代所淘汰，因為它的優勢在於，非常低的設計成本，相對簡單的風險分析，以及擁有非常穩定的高生產率。隨著人機協作的層面不斷進深，相對的風險評估也會愈加繁複，為減少風險所採取的設計措施也會增加。但隨著工業4.0時代的到來，智慧產品對於生產系統的要求迫使新一代的工作系統必須適用柔性生產，人機協作必然在此領域大展宏圖。
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