智能辅助工具在汽车制造的应用

编译 | 李建

参观世界上任何一家汽车制造厂， 绝大多数的生产设备都是相似的——这 是福特在土耳其的Golcuk 和 Yenikoy工厂的负责人、福特Otosan新项目 的助理总经理 Cem Temel 的观点。 他若有所思地说：“油漆车间将由杜尔 (Durr)、库卡 (Kuka) 或 ABB 的机器人， 以及西门子 (Siemens) 的操作系统提供。”

他认为，工厂之间的真正区别在于 工人和技术用于优化环境的方式。其中 一个最明显、应用最广泛的方法是使用 可穿戴设备，一些公司正在测试一种新设备，这种设备可能很快就会在世界各 地的汽车制造厂推出。

可穿戴的工具

现代（Hyundai）背心外骨骼(H-VEX) 技术目前正在接受韩国 OEM 及其姊妹公司起亚 (Kia) 的测试，希望能在北美各地的工厂中使用。根据现代 汽车的说法，它通过“当使用者的手臂 在头顶上使用时，增加60kg的力量” 来帮助工人。“这个想法是为了减轻工人颈部和背部的压力，减少受伤的机会， 同时提高工作效率。”

现代战略与技术部门执行副总裁、 首席创新官池永秋 (Youngcho Chi) 表 示，“机器人领域有潜力在我们的行业 中开创一个新时代。这项技术的可能性 是无限的——从未来的移动解决方案和工业生产力辅助到重要的军事应用，我 们认为机器人的未来会更好。现代汽车 集团内部的巨大集体经验将促进未来几 年的快速发展。我们对目前的发展感到 兴奋，对利用这项技术改善全球人民的 生活感到非常乐观。

现代公司表示，该公司还在开发多 种其他人体工程学技术，并在2017年8月展示了首款无座椅外骨骼 (H-CEX) 设备。该装置固定在用户的腰部、大腿和膝盖上，使其更容易采取坐姿。它重 1.6kg，能承受150kg。它也有三个不 同的角度设置，让工人自己的位置适当。H-CEX 技术目前也在该公司的北美工厂进行测试。

跟踪运动

福特目前还在西班牙瓦伦西亚的 发动机装配厂试用配备身体追踪技术的 可穿戴西装，该公司在那里生产 2.0L EcoBoost Duratec 发动机。从这些 太空服中获得的数据正被用于设计工作站，使它们的物理压力更小，效率更高。

福特巴伦西亚发动机装配厂生产区 经理哈维尔·吉斯伯特表示：“运动领 域已经证明，通过运动跟踪技术，对运 动方式的微小调整可以带来巨大好处。 对我们的员工来说，使用类似技术对工 作领域进行的改变，最终可以确保即使 在漫长的一天中，他们也能舒适地工作。”

宇航服上有 15 个光传感器，这些 光传感器与无线探测装置相连，同时在 工作人员附近放置了 4 个运动跟踪摄 像机。对员工进行了多种测量，如头 颈运动和手臂伸展。福特表示，目前 正在考虑在欧洲的其他制造工厂使用 这项技术。该公司最近投资了罗马尼 亚的 Craiova 工厂，并开始在俄罗斯 的 Naberezhenye Chelny 工厂建造 EcoSport。

另一家希望通过使用追踪技术改善工作环境的公司是 Tobii Pro。该公司 的可穿戴眼球跟踪解决方案可以帮助工 人在汽车制造过程的不同阶段，如油漆 车间。

Tobii Pro Insights 的高级研究开发人员迈克·巴特尔 (Mike Bartel) 解释称 :“使用 Pro Glasses 2，我们能够测量人们在汽车上线时的视线。从这里我们可以做一些事情。首先，我们能 够为眼球运动模式创建一套最佳实践，这与在这项特定工作中的良好表现相 关。然后我们就可以训练人们将这种行 为模式作为他们的学习过程。”

该公司的一个客户（一家日本汽车 制造商）报告说，在他们的生产过程中 实施眼动跟踪后，视觉检查错误减少了。此外，Bartel 建议这项技术可以用来减 少培训工人的时间。

协作机器人

宝马 (BMW) 是另一家最近在其 工厂增加工人辅助技术使用数量的公 司。2013 年 9 月，作为与麻省理工学 院 (MIT) 合作研究的一部分，该公司首 次在美国斯帕坦堡工厂使用协作机器人 (co-bots)。这些都是由通用机器人制 造的，用于 X3 的门内隔音和防潮。

三年后，这家德国 OEM 在德国的 Dingolfing 工厂安装了一款来自库卡的 LBR iiwa 轻型机器人。这就完成了前 桥变速箱的吊装差速箱的重复性工作。 这些箱子的重量可达 5.5 公斤，装配精 度要求很高，体力劳动者很难做到。

Kuka 公司负责先进技术解决方案的副总裁 Henning Borkeloh 向 AMS 解释说 :“在合适的位置安装这个巨大 的差速箱是一项非常微妙的任务。在啮 合齿轮时，敏感齿侧不能被碰撞损坏。 其中一个挑战是必须组装的不同部件重 量的变化。基本上，我们必须找到正确 的参数来调整机器人的扭矩灵敏度，以 适应各种要求。”

宝马 (BMW) 目前正在其丁格尔芬 (Dingolfing) 工厂的几个区域使用合作 机器人。轻型机器人在安装到汽车上之 前，会先在窗户上涂上粘合剂，而另一 组装有传感器的机器人则会在车身被送 到油漆店之前，自动检查并帮助检查白色车身。

由于近年来的试验表现良好，宝马 表示希望在其全球工厂部署更多的合作 机器人。其他汽车制造商也表达了类似 的计划，供应商也参与了行动。

西班牙钢铁制造商 Gestamp 目前 正与谷歌的研发部门谷歌 X 合作，研究 合作机器人如何帮助该公司简化其主要 用于制造底盘部件的庞大焊接操作。这 是美国项目的早期阶段，但目标是让合 作机器人通过传感器进行交流，这样它 们就可以迅速更换工作。

Gestamp 的首席信息官帕布罗·德 拉朋特 (Pablo De La Puente) 告诉 AMS 说“例如我想让这个机器人为通用、奥迪和福特制造这部分。这只有在机器人协同工作并理解它们必须采取哪 些步骤的情况下才能奏效。如果不停止 机器人，不花几天时间重新编程，你现 在就无法做到这一点。”

随着越来越多的公司在生产线 上进行测试和部署，合作机器人的 市场将显著增长。根据市场研究公 司 Marketsand Markets 的数据，到 2025 年，联合 Bot 市场的估值预计将 达到 120 亿美元，标志着 2017 年至 2025 年的复合年增长率 (CAGR) 将超 过 50%。

超越现实

除了使用协同机器人，宝马一直在 探索的另一个领域是虚拟现实，以改善 员工的工作环境。尽管福特利用人体追 踪服获得的数据来增强工作站设计，但 这家德国 OEM 制造商在生产线和工作 站建成之前，正使用软件将其可视化。 然后，他们可以测试虚拟线路，并确保 它们是有效的和工作友好的。

在 3 系列产品在慕尼黑生产之前， OEM 使用一个虚拟现实系统来布置每 个单独的工作站。马提亚斯·辛德勒 (Matthias Schindler) 在宝马负责虚拟 计划和生产实现，他提供了见解。

他说，“虚拟现实技术使我们能够 快速高效地建立驾驶舱预装配工作站。 不再需要按实际尺寸复制工作站的耗时 试用安装。所有相关的专家——从物流 专家到系统规划人员再到生产员工—— 都能在早期阶段轻松地交流想法，这对 团队来说是一个重要的额外好处。总体 而言，我们更加透明、灵活和快速。”

这之所以成为可能，是因为宝马 多年来一直在收集其现有生产设施的数 据。3D 扫描仪和高分辨率相机一直在 收集工作站布局的毫米精度信息。

虚拟现实也被用于指导生产线上的 工人。雷诺卡车 (Renault Trucks) 的 一个研究小组一直在研究“混合现实” 技术对这家重型汽车制造商发动机制造 业务的潜在好处。在法国里昂雷诺卡车 发动机工厂，20 多人的团队与虚拟现实 和增强现实专家的合作，设计了一个原 型系统，在质量控制过程中使用全息技术。

当增强现实技术在屏幕上显示时， 它将信息在真实图像上进行置换，而混 合现实技术将虚拟对象以全息图的形式 添加到真实环境中，用户可以与之交互。 雷诺卡车项目工程师伯特兰·菲利克斯 (Bertrand Felix) 解释称 :“实际上，质 量控制运营商将佩戴微软 HoloLens 智 能眼镜，所有数字化引擎部件都将集成 在这款眼镜中。通过眼镜和混合现实界面，操作者将看到决策指令，指导他们 通过最复杂的控制操作。目前，控制点 的操作人员仍在使用纸质指令。”

数字化和叠加在实际发动机上的发 动机部件可以单独查看，指导操作者通 过质量过程阶段。操作人员无需动手， 可以提供各种信息片段，如汇编指令。 雷诺卡车公司表示，这项技术降低 了汽车的量产质量控制，并对其进行了 改进。它还能将操作者的认知负荷降至 最低，并有助于加速他们的训练。第一 阶段测试于 2018 年 1 月开始，第二阶 段的其他应用包括协助组装或维修。雷诺卡车 (Renault Trucks) 为自己设定 了一个目标 : 开发一种无纸化、数字化 的制造工艺，希望到 2020 年在其工厂 推出混合现实原型车。

再深入一步

一些汽车制造商正在探索生产数字 复制生产线的好处。这些可以用于帮助 工厂的设计阶段，以及确定提高效率和最小化停机时间的方法。

西门子的Tecnomatix投资组合 允许公司设计、开发和改进他们的工厂。西门子 PLM软件公司负责汽车和 运输战略的副总裁 Dave Lauzun解释说 ：“他们可以创造工厂的完全数字孪生兄弟，包括生产线布局、设备操作、物流，甚至人力操作。”

西门子还拥有一个基于云的操作系统，帮助连接工厂内部的机器和设备，使它们能够相互通信，并更有效地运行。它还允许用户从设备上收集和分析数据。

Lauzun 补充说，这些工具也可以 对人类工人和他们的环境产生影响：“我 们可以对人机交互进行精确建模，以评 估人类工人的最佳解决方案。一个特别 有趣的趋势是协作机器人，在这种情况 下，人类和机器人可以无缝、紧密地交 互，以完成预期的任务。西门子拥有创 造机器人和人类的数字双胞胎的工具， 因此我们可以创造最佳的合作。”

制造业务集团西门子PLMSoftware的董事托德·本特森认为，有许多不同的趋势将对未来的汽车制造产生巨大影响。他列举了增材制造技术的使用、人机合作的增加以及虚拟现实和增强现实技术的结合等潜在因素。他预测：“在善用生产数据方面，改善生产数据的挖掘，以及把这些数据转换成有用的信息，将有助公司提高质素、灵活性和使用率。”