人机互动合作下的工作系统构建——以机器人技术为例
1. 机器人将成为合作伙伴
随着传感技术、传动机制以及导航领域科技的迅猛发展，工业机器人在更多的领域被投入使用，同时突破了工业机器人的传统应用方式。由以往的人机空间分离的共存方式转向更紧密的人机互动合作乃是大势所趋。
机器人将会与人类共同工作成为我们的智能助手吗？机器人系统能否把烦琐多变的操作工序变成一个统一完整的流程？机器人适应人类的程度如何？而人类又需要在多大程度上去配合机器人呢？哪些新型的人机交互形式允许机器和人类实现真正意义上的合作？下面的例子将为您进一步解答这些问题。
2. 工人指导
由德国BMWi所资助的自主科技项目中的RoboGasInspector计划让自主机器人参与到（部分）工作中去，这一计划的投入对劳工分配产生了明显影响。该计划通过使用智能的、协作的、装备有远端油气测量技术的机器人的新型人机系统，及时检测出机械设备中漏油的问题。在此之后，机械设备的检查工作将大范围实现自主检测。其中所使用的多模块远程测量技术可以有效检测不易操作的位置。与互联网进行连接可以传输非本地的检测数据以及储存的数据，该功能同时可以服务于设备监控，其他机器人和工作人员之间也可以通过该功能实现信息交流。通过GPS和激光扫描机器人可以进行自我定位和导航。通过增强现实功能操作员可以直观地确定监控工作区域的地图、通过机器人的视角来感知其周围环境并监控整个传感过程。
如有需要，使用者还可以通过手势控制机器人的操作，进行远程交互，并接管它的工作。这个功能可以通过例如“工具—中心—点”控制，使用空格键—鼠标或者使用可视动态追踪系统，操作员手的运动轨迹将直接传输给机器人并转化成它的动作。操作员通过立体相机系统得到反馈，该反馈显示在一个立体屏幕上或者头盔显示器上。通过这个系统，可以远程打开气门、关上气门或者检查某些特定的管道位置。
所有工作都由中心指挥处调配执行，固定路线巡视员的工作范围因此而发生明显变化：现场巡视的工作任务将逐渐消失，并由监控、设计以及服务等任务所替代。而这也意味着更高质量的工作，以及新的培训要求。同时，以往的岗位能力要求也将失效。虽然许多以前人工完成的工作步骤将由机器人代替，但是人类又不止扮演监测工作的角色，他需要设计机器人的路线并且在必要情况下执行人机交互动作，并且还要评估机器人获得的数据。
下面这个来自Sabre Autonomous Solutions（SAS）公司的例子体现了机器人如何减轻工人的工作，但又并不完全取代工人的工作。
机器人技术使用领域：钢结构喷砂处理。尤其是大型钢铁基础设施，例如桥，必须长期进行防腐蚀护理。这项工作一直都由工人完成。然而恶劣的工作条件以及对体力的极端要求，即使再娴熟的工人在工作15～30min后也要休息一段时间。SAS公司发明了一种机器人，从而大大减轻了这项工作，使得该工作的很大一部分可以由机器人来承担。将机器人放置于要进行加工的区域之前，机器人的工作环境也同正常工人的一样，有相应的安全保障。机器人通过智能感应器扫描需要加工的区域，同时一款软件将识别要进行加工的范围，并计算机器人手臂的运动轨迹。而工人全程监测该自动化过程，若出现安全问题时也可以随时终止操作。机器人完成操作后，工人进行质量检查，并手动将加工后的部分遮盖住，以防止机器人接触该区域。
3. 人力交互
RoRaRob方案形象地体现了机器人和人类之间更进一步的合作。该方案展示了如何将新型的协作系统融入已有的工作结构中，而且无须对工人进行新的资格培训。具体来说，这是一个为管道以及框架组装焊接任务所发明的机器人协助系统。该方案的焦点是从节省、经济和人体工程学的角度实现人机互动。
该方案的目的并不是取代电焊工，而是减少工人在核心任务“焊接”之外的其他步骤，例如手持工件。伴随的是人体工程学上的减压。也就是说，例如，当组装80kg重的部件时，工人不再需要亲自动手移动它或手动安装。同样，也一并解决了手持工件的麻烦。针对这个需求，一个数字模拟身体模型从一开始就被植入系统中（见图53a），通过这种方式人体工程学上的限制得到解决。
关于人机碰撞的问题，该方案为操控工件的机器人推导出了最优化的运动模型，转化为机器人可识别的指令，纳入整个系统之中。同时还会检查该动作是否在这个虚拟机床工人的承重范围之内。运行过程中，工人可以利用新型的人机互动工具（6D鼠标）来调整合适的工作高度。最关键的一点是：电焊工自己并不用为机器人动作编程。几乎所有编程工作只在线下完成。
出于企业经济方面的考虑，在这个例子中运用新程序作业并没有对电焊工增添更多负担。这就意味着，电焊工的工作以及资格培训都没有大的变化。从劳工分配的角度来看，更优化的分配减轻了工人的压力。电焊工仍旧处于这个工作的中心位置，并且在一定程度上可以干涉机器人的操作。
4. 人力协作
欧盟JILAS项目的结果展示了现代机器人技术如何全方位成为工人的助手。一家来自瑞士的小型飞机制造商提出了对该自动化工作解决方案的需求。该制造商的大多数飞机订单都需要特别定制，因此至今都沿用手工制造方法。然而由于瑞士高昂的劳动力成本，他们不得不外包生产。尤其是组装沉重的侧面板和顶部件需要多达5个人共同合作。而在可调控力量的机器手臂的帮助下，现在只要一个工人就能独立、完整、安全地完成这个安装。机器手臂负责抬起沉重的部件，工人则在机器手臂的协助下将这个侧面板挪至靠近其目标位置。为了方便最终将定位精确到毫米内，工人可使用操作简易的跟踪系统测量终端位置。然后，机器手臂会自主将部件精确安装至最终位置。机器人移动工件时常常会受到突出的螺钉或者吊环的阻碍，遇到这种情况，工人则可以协助机器人，将工件拉至无阻碍的方向后，机器人继续正常运作，最后，由工人完成最终装配。该系统的设计无须工人掌握任何特殊的知识。工人仍使用他最习惯的工件，只是在机器人的帮助下可以更精确地完成装配，而不再需其他工人的配合。手持和移动重物，在此之前是人体工程学上的重负，现在则可以轻松脱手了。而整个工作流程掌握在工人自己手里。工人可以自行设计、执行工作，控制结果，在必要时修正错误。这样就完成了一次出色的自主工作。
5. 机器人同事
现在越来越多的机器人系统技术都十分纯熟，显示出对人类工作出类拔萃的协助功能。轻量级的机器人扮演着尤其重要的角色，例如丹麦制造商所制造的通用机器人（Universal Robots， UR），它的最大力度和速度的设计理念是绝不引起任何人员伤害，当工人进入其工作区域时机器人便立即停运。参加一个简短的训练后，工人可以在教学面板的图形界面中对机器人进行自主编程。自2009年起，通用机器人的销量已超过2500个，其中80%应用于人类无物理安全障碍工作。
而Rethink Robitics公司的机器人Baxter编程功能更简单了，它类似于前面提到的JILAS方案。Baxter从一开始就是为潜在客户所发明的。除了安全问题外，制造商将主要注意力都放在了更方便、简单地操作一个机器人，也就是机器人和工人的交互功能上。通过直观地推拉机器手臂和夹具就可以为Baxer编程以及训练Baxer。通过屏幕用户会收到有关培训成果的视觉反馈。该屏幕还可在运行过程中也服务于人机交互协作。当机器人，例如，因为缺少零件需要帮助，一直望向被激活的工作方向时，虚拟眼会进行提示。这样，操作员便可以轻易地预测机器人的运动走向。Baxter像UR5一样安全，因此不需划分安全工作区域或与工人隔离开来。
机器人Baxter和UR5以及其他制造商的同类机型满足所有工作构建的需求，作为一个工具，能实现完整工序的操作。一方面，用户可以独立设计、组织以及执行、调控任务，无须额外的专业技能知识。另一方面，机器人也能够在其不足以保证常规操作的情况下，将其当前状态反馈给用户。用户可以直观地了解问题，并且能够独立解决该问题。这个方案的实现一方面是以工人参与了解各个工作步骤为前提的，另一方面直观的交互界面也是必需的，不仅人要了解机器的动向，反之机器人更要了解人的动作。然而，这一点目前大多数系统都没有达到。若要实现这一点，要么像Baxter，使用相应的可视化屏幕实现，要么像JILAS，机器人仅仅协助人的工作。后者具有的优点是工人在任何时间都可以自己执行操作。因此当没有人机交互界面时也能够直观地发现问题。
6. 人与机器之间的双向互动
目前在人机交互领域的研究往往只侧重在预测人们的行为，然后推导机器人的行为去适应人的行为。人们常常忘记了，其实人类可以更敏捷地做出反应——只要他能捕捉到机器人的“意图”和状态。未来“协作式”机器人带来的挑战越发凸显出来。机器人能够在其不足以保证常规操作的情况下，将其当前实际状态反馈给用户。用户必须能够理解问题所在并能够独自修复问题。在理想情况下，机器人的修复服务不再由生产商负责，而是由最终用户自己接管，这一点，这在Baxter方案中已经实现。而直观的交互界面是必不可少的前提。
目前在弗劳恩霍夫（Fraunhofer）的一个研究方案IFF展示了机器人反馈给工人信息后工人如何应用这些信息。研究人员已经开发出一种传感器皮肤，可以灵活地适应尽可能不同的几何形状。一方面，所述电阻测量系统能够快速和可靠地检测到人的碰触，从而增加人类与机器人之间的交互的安全性。这个系统会提示机器人有人类在附近。该机器人可以停止活动或进行适当的回避动作。另一方面，这个系统也可以用作输入装置，在机器人手臂上安装类似触摸屏的工具，以用于编程。罗伯特·；博世公司（Robert Bosch GmbH）的一个类似系统“APAS”，制造的传感器皮肤近期得到德国行业协会认证，允许人类与机器人之间的直接合作。这是一个高度敏感的电容式传感器的皮肤，在真正发生接触前，能够探测出有人靠近，如此一来，发生接触，机器人在正好与人发生碰撞前就能适时停住。但是，这些安全系统并不能直接帮助人们更好地预测机器人的行为。同样，弗劳恩霍夫IFF对此也有自己的解决方案。通过摄像头和投影技术的组合，该方案不仅能够将安全区域动态直观地可视化，而且它也能记录下进入安全区域的行为，并激活机器人手臂做出相应的行动（如紧急停止）。同时这个系统可以通知用户机器人的后续行动确切将在什么位置发生，保障了人与机器人间高效的合作。
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