張嵐云，劉怡宏，王翀姿，周海海

（南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016）

引 言

工業(yè)5.0的演進(jìn)，不僅助力高效、可持續(xù)和具有韌性的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建，而且重新定位了人類(lèi)勞動(dòng)力在工廠中的作用。人機(jī)關(guān)系從傳統(tǒng)的“主–從”模式向“主–協(xié)作”模式轉(zhuǎn)變，形成了一種全新的伙伴式“人機(jī)協(xié)同”模式。在這種模式下，操作人員與協(xié)作機(jī)器人緊密合作，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的、緊密耦合的系統(tǒng)，以完成各種任務(wù)。機(jī)器人非常高效地執(zhí)行簡(jiǎn)單繁重的重復(fù)性任務(wù)，操作人員則可以將精力集中于認(rèn)知決策等關(guān)鍵任務(wù)，并對(duì)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，讓人機(jī)協(xié)同作業(yè)更加靈活[1]。人機(jī)協(xié)同作業(yè)模式具有高效和便捷的特點(diǎn)，在電子制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用，并極大地推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展[2]。

由于人機(jī)協(xié)同作業(yè)模式存在大量且復(fù)雜的人機(jī)交互，且操作者需要與協(xié)作機(jī)器人共享同一個(gè)工作空間并近距離地接觸，因此研究人員對(duì)人機(jī)協(xié)同作業(yè)中的人因問(wèn)題進(jìn)行了大量的討論與研究。本文首先概述了人機(jī)協(xié)同作業(yè)模式的發(fā)展以及過(guò)程應(yīng)用現(xiàn)狀；然后，從人機(jī)協(xié)同作業(yè)的人因評(píng)估以及人因設(shè)計(jì)2個(gè)角度，對(duì)人機(jī)協(xié)同作業(yè)中人因問(wèn)題的相關(guān)研究進(jìn)行了整理和歸納。本文對(duì)整個(gè)人機(jī)協(xié)同作業(yè)領(lǐng)域人因問(wèn)題的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，以期為電子機(jī)械及整個(gè)制造業(yè)中人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中人機(jī)安全、人機(jī)信任以及人機(jī)功效的研究提供參考。

1 電子機(jī)械工程制造行業(yè)中人機(jī)協(xié)同的應(yīng)用

在電子機(jī)械工程制造行業(yè)中，人與機(jī)器人的協(xié)作是指有目的地設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)和操作人員在協(xié)作工作空間內(nèi)同時(shí)執(zhí)行任務(wù)[2]，即協(xié)作機(jī)器人和操作人員可以同時(shí)甚至共同執(zhí)行任務(wù)。人機(jī)協(xié)同作業(yè)也是電子產(chǎn)品復(fù)雜精密件柔性制造的關(guān)鍵。柔性系統(tǒng)可以根據(jù)加工需求快速調(diào)整生產(chǎn)線(xiàn)配置，實(shí)現(xiàn)多品種、小批量的生產(chǎn)模式。在這種模式下，操作人員和協(xié)作機(jī)器人需要緊密協(xié)作，共同應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的變化。操作人員負(fù)責(zé)靈活調(diào)整生產(chǎn)流程，而機(jī)器人則負(fù)責(zé)執(zhí)行相應(yīng)的操作任務(wù)。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，人機(jī)協(xié)同技術(shù)在電子機(jī)械制造領(lǐng)域已得到部分應(yīng)用。以電子設(shè)備制造過(guò)程中的點(diǎn)膠工序?yàn)槔?，產(chǎn)線(xiàn)操作人員在協(xié)作機(jī)器人的配合下，能夠高效完成多點(diǎn)位的涂膠工作。協(xié)作機(jī)器人還可通過(guò)牽引示教，協(xié)助操作人員更方便容易地編寫(xiě)涂膠工藝程序，同時(shí)使用機(jī)器人可以控制涂膠出膠量，保證均勻出膠，如圖1所示。這非常適用于汽車(chē)零部件行業(yè)、3C電子行業(yè)等各類(lèi)需要涂膠的場(chǎng)景。另外，電子設(shè)備裝配和運(yùn)維過(guò)程中大量的印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）插拔工作，也是人機(jī)協(xié)作常見(jiàn)的使用場(chǎng)景。

圖1 電子設(shè)備涂膠協(xié)作機(jī)器人

電子設(shè)備制造中的特種焊接，可以在人機(jī)協(xié)作模式下獲得更柔順的末端拖拽效果，用戶(hù)能夠輕松快速、精準(zhǔn)無(wú)誤地將焊槍拖拽到指定的目標(biāo)焊點(diǎn)，提升了工作效率（圖2）。

圖2 電子設(shè)備焊接拖拽協(xié)作機(jī)器臂

圖3 協(xié)作機(jī)器人動(dòng)作[7]

質(zhì)量控制及缺陷檢測(cè)是電子產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，人機(jī)協(xié)作技術(shù)可以用于提高質(zhì)量控制的效率和準(zhǔn)確性。例如，利用圖像處理及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，機(jī)器人可以通過(guò)采集電子產(chǎn)品表面圖像數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷產(chǎn)品是否存在缺陷或組裝問(wèn)題，并對(duì)不同類(lèi)型的缺陷分類(lèi)，操作人員可以通過(guò)與機(jī)器人進(jìn)行交互，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，以確保產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。人機(jī)協(xié)同的發(fā)展呈現(xiàn)出智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化等趨勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，人機(jī)協(xié)同技術(shù)將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)電子機(jī)械制造業(yè)向更加高效、智能和可持續(xù)的方向發(fā)展。

2 人因評(píng)估

2.1 人機(jī)信任

信任是一種基于過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的判斷，人機(jī)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)中的人機(jī)信任主要指操作人員相信協(xié)作機(jī)器人能夠按照預(yù)期完成任務(wù)，不會(huì)給自己帶來(lái)傷害[3]。隨著人機(jī)協(xié)同作業(yè)模式的出現(xiàn)，操作人員需要充分信任協(xié)作機(jī)器人，才能更好地完成任務(wù)，因此人機(jī)信任問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注[4]。

文獻(xiàn)[5]設(shè)想了一個(gè)場(chǎng)景：操作人員不信任甚至排斥協(xié)作機(jī)器人，拒絕配合機(jī)器人的動(dòng)作，因?yàn)樗麄儗?duì)協(xié)作機(jī)器人的底層算法和決策持懷疑態(tài)度。因此，研究人員通過(guò)不斷創(chuàng)新，致力于尋找能促進(jìn)信任的高效人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)，幫助操作人員接受和信任先進(jìn)的協(xié)作機(jī)器人帶來(lái)的幫助[6]。

2.1.1 人機(jī)溝通的有效性

有效的人機(jī)溝通有利于操作人員意識(shí)到機(jī)器人的意圖，從而對(duì)協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)生信任[6]。人機(jī)協(xié)同作業(yè)中的溝通主要包括2個(gè)方面：1）操作人員需要了解機(jī)器人的行動(dòng)軌跡、目的及后果，并能夠大致預(yù)判機(jī)器人的下一個(gè)動(dòng)作；2）機(jī)器人需要了解用戶(hù)的意圖從而配合其工作。

用戶(hù)對(duì)機(jī)器人的不信任，一部分來(lái)源于他們不能預(yù)判協(xié)作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡以及機(jī)器人的高速運(yùn)動(dòng)可能對(duì)他們帶來(lái)傷害。為了研究如何讓操作人員更好地預(yù)判機(jī)器人的動(dòng)作，從而信任協(xié)作機(jī)器人，文獻(xiàn)[7]對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度以及接近操作人員的方式展開(kāi)了研究，讓協(xié)作機(jī)器人分別在2個(gè)不同運(yùn)動(dòng)速度下，以高預(yù)測(cè)性（軌跡順滑且速度變化均勻）和低預(yù)測(cè)性（軌跡存在突然的轉(zhuǎn)折，速度變化不均勻）2種運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行以下操作：將工件從容器中取出并運(yùn)送給用戶(hù)（○1）；機(jī)器人將工件展示給用戶(hù)檢查（○2）；在用戶(hù)響應(yīng)后，機(jī)器人將工件運(yùn)輸?shù)?個(gè)目標(biāo)容器中的一個(gè)容器內(nèi)（○3），然后測(cè)試被試的主觀感受以及完成任務(wù)的效果。結(jié)果顯示，在高預(yù)測(cè)性且低速的情況下，參與者的心理壓力更小，更能信任協(xié)作機(jī)器人，任務(wù)完成度也更高。

在現(xiàn)有的研究中，協(xié)作機(jī)器人已可通過(guò)多種方式了解操作人員的意圖。在用戶(hù)與機(jī)器人存在接觸的情況下，為了使他們更加信任協(xié)作機(jī)器人，文獻(xiàn)[8]開(kāi)發(fā)了一種自適應(yīng)接納控制系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)操作人員施加于協(xié)作機(jī)器人的外力來(lái)預(yù)測(cè)他們的意圖，從而相應(yīng)地調(diào)整協(xié)作機(jī)器人的速度、軌跡和動(dòng)作等，讓用戶(hù)與機(jī)器人的配合更加自然。研究還發(fā)現(xiàn)，使用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)接納控制，可以使協(xié)作機(jī)器人在動(dòng)態(tài)與靜態(tài)切換過(guò)程中與操作人員的相互作用力最小。還有研究人員采用將操作人員與協(xié)作機(jī)器人的角色反復(fù)切換的交叉訓(xùn)練方式來(lái)訓(xùn)練這一控制系統(tǒng)，并將訓(xùn)練出來(lái)的系統(tǒng)與采用標(biāo)準(zhǔn)的人–機(jī)器人方法訓(xùn)練出來(lái)的系統(tǒng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)交叉訓(xùn)練出來(lái)的控制系統(tǒng)在績(jī)效及人機(jī)信任方面的表現(xiàn)更優(yōu)[9]。并且在用來(lái)訓(xùn)練的操作者心智模型有限的情況下，這一訓(xùn)練方法還可以解決系統(tǒng)在遇到?jīng)]有訓(xùn)練過(guò)的模型時(shí)很難有效執(zhí)行任務(wù)的問(wèn)題。

在操作人員與協(xié)作機(jī)器人無(wú)接觸的情況下，機(jī)器人可通過(guò)直接方式（識(shí)別用戶(hù)手勢(shì)和語(yǔ)音指令等）或間接方式（通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)來(lái)預(yù)測(cè)用戶(hù)意圖）來(lái)了解操作者的要求，實(shí)現(xiàn)與操作者的溝通?，F(xiàn)在的直接交互方式也不再局限于手勢(shì)和語(yǔ)音，協(xié)作機(jī)器人可以通過(guò)解讀操作人員的目光以及面部情緒等多種模態(tài)的信息來(lái)增強(qiáng)用戶(hù)與機(jī)器人的交流[10]。盡管這種多模態(tài)的信息給通信系統(tǒng)帶來(lái)了冗余，但在面對(duì)工作場(chǎng)所不可預(yù)料的噪音及外部干擾時(shí)，多個(gè)信息輸入渠道的互補(bǔ)能讓通信更加可靠[1]。

2.1.2 人機(jī)信任度的檢測(cè)

信任作為一種主觀感受，通常需要利用問(wèn)卷調(diào)查、訪談等方式來(lái)檢測(cè)[4]，但檢測(cè)需要在人機(jī)交互結(jié)束后才能進(jìn)行，具有滯后性且不能觀測(cè)到人機(jī)互動(dòng)過(guò)程中信任程度的實(shí)時(shí)變化。因此，在工業(yè)自動(dòng)化相關(guān)領(lǐng)域，研究者開(kāi)始利用設(shè)備觀察大腦中的神經(jīng)活動(dòng)及各腦區(qū)的連接，并以此實(shí)現(xiàn)對(duì)信任程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[11]。其中前運(yùn)動(dòng)皮層與初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)等腦區(qū)的活動(dòng)已經(jīng)被證實(shí)與用戶(hù)對(duì)輔助技術(shù)的信任度有關(guān)[12]。

在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[13]提出了按照操作人員的信任程度進(jìn)行子任務(wù)分配的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人任務(wù)分配策略，尋求使得實(shí)時(shí)信任最優(yōu)的任務(wù)分配方法。文獻(xiàn)[14]通過(guò)檢測(cè)信任程度來(lái)調(diào)整協(xié)作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡，尋求最優(yōu)的協(xié)作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略。圖4展示了一個(gè)實(shí)驗(yàn)案例場(chǎng)景，圖5為該案例中的2條備選路徑：一條安全的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑和一條高效的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑（點(diǎn)的疏密表示人手可能的運(yùn)動(dòng)范圍）。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了協(xié)作機(jī)器人按照不同路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，操作人員信任度的實(shí)時(shí)變化。此外，也有研究者注意到了操作人員的信任程度與協(xié)作機(jī)器人能力之間的平衡。文獻(xiàn)[15]提出，當(dāng)操作人員的信任程度高于協(xié)作機(jī)器人的能力水平時(shí)，用戶(hù)可能會(huì)由于過(guò)度信任協(xié)作機(jī)器人而忽視潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 人與協(xié)作機(jī)器人共享的工作空間[14]

圖5 兩條機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的候選路徑[14]

2.2 人因安全

人因安全主要指在人機(jī)協(xié)同作業(yè)過(guò)程中，盡可能地減少操作人員與協(xié)作機(jī)器人的意外碰撞次數(shù)及其帶來(lái)的傷害[16]，以及避免長(zhǎng)期工作給操作人員帶來(lái)身體及心理的損傷[1]。在人機(jī)協(xié)同作業(yè)過(guò)程中，用戶(hù)與機(jī)器人共享同一個(gè)工作空間，使得傳統(tǒng)的將用戶(hù)與機(jī)器人進(jìn)行物理分割、設(shè)置圍欄的安全保障方式不再適用。人機(jī)協(xié)同作業(yè)允許操作者與機(jī)器人進(jìn)行接觸，新的交互模式給人因安全的保障帶來(lái)了新的要求[17]。

2.2.1 避免碰撞

意外碰撞是威脅人機(jī)協(xié)同作業(yè)中人因安全的重要因素，文獻(xiàn)[6]將避免碰撞的措施劃分為“避免接觸”和“接觸檢測(cè)并減速”2大類(lèi)?！氨苊饨佑|”是通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)，排除人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中碰撞發(fā)生的可能，而“接觸檢測(cè)并減速”則是使用距離傳感器等裝置，在協(xié)作機(jī)器人檢測(cè)到可能發(fā)生碰撞的情況下，提前采取減速等措施，從而避免碰撞或減輕碰撞力度，確保用戶(hù)安全。文獻(xiàn)[18]則將安全策略分為3種：1）限制協(xié)作機(jī)器人的功率和力量大??；2）通過(guò)給協(xié)作機(jī)器人安裝視覺(jué)系統(tǒng)以及檢測(cè)接近、接觸的傳感器來(lái)檢測(cè)即將發(fā)生的碰撞并進(jìn)行阻止；3）在不停止協(xié)作機(jī)器人正在進(jìn)行的操作的情況下，讓操作人員調(diào)整機(jī)器人的動(dòng)作來(lái)避免碰撞。文獻(xiàn)[19]則提出了一種線(xiàn)性彈簧阻尼模型，傳感器檢測(cè)到的用戶(hù)與協(xié)作機(jī)器人的距離越小，彈簧阻尼施加在協(xié)作機(jī)器人上的阻力就越大。

對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃是避免碰撞、保障操作人員安全的重要手段。有研究者通過(guò)開(kāi)發(fā)控制算法，計(jì)算操作人員對(duì)工作空間實(shí)時(shí)占有情況及機(jī)器人應(yīng)該避開(kāi)的空間[20]或分析傳感器信息來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞。文獻(xiàn)[21]針對(duì)動(dòng)態(tài)撞擊和準(zhǔn)靜態(tài)夾緊這2種常見(jiàn)的導(dǎo)致操作人員受傷的情況，研究檢測(cè)算法并驗(yàn)證其有效性。為進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)搭建了2種場(chǎng)景，機(jī)器人在設(shè)計(jì)軌跡內(nèi)的2個(gè)測(cè)試場(chǎng)景中，與操作者手臂發(fā)生碰撞：機(jī)器人繞關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，以0.9 m/s的速度撞擊人類(lèi)手臂；機(jī)器人以0.5 m/s的速度撞擊人類(lèi)手臂，手臂向前伸出。也有研究者關(guān)注協(xié)作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的搭建，研究了基于Web的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[22]、微型及大型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂控制方法[23]以及基于機(jī)器人皮膚的多模態(tài)控制框架來(lái)更好地控制機(jī)器人[24]。另一些研究者關(guān)注如何讓機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道進(jìn)行自動(dòng)修正，并開(kāi)發(fā)了一種基于阻抗的軌跡修正策略[25]。

現(xiàn)有的安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)操作人員和機(jī)器人密切合作時(shí)，必須至少使用以下技術(shù)之一來(lái)保障操作者的安全：1）安全監(jiān)測(cè)及停止。當(dāng)操作人員在一定范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)器人不能移動(dòng)。2）手部引導(dǎo)。通過(guò)協(xié)作機(jī)器人內(nèi)的力學(xué)檢測(cè)器來(lái)控制機(jī)器人。3）速度與分離監(jiān)測(cè)。隨著機(jī)器人與操作人員之間的距離縮短，機(jī)器人的速度也隨之減緩。4）功率和力的限制。在協(xié)作機(jī)器人的功率與力度低于一定范圍時(shí)，允許用戶(hù)和機(jī)器人接觸。

2.2.2 工作損傷

工作損傷是指人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的人機(jī)工程設(shè)計(jì)不佳，導(dǎo)致操作人員在長(zhǎng)期的工作中身心健康指標(biāo)下降的問(wèn)題[26]。保障操作人員的安全就是在執(zhí)行人機(jī)協(xié)同任務(wù)的全過(guò)程中，將所有職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)降到最低[27]。例如，設(shè)計(jì)符合國(guó)際規(guī)范的工作姿勢(shì)以降低損傷健康的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，協(xié)作機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)會(huì)給操作人員帶來(lái)精神壓力和焦慮。因此，除了人身安全之外，用戶(hù)的心理安全也同樣需要關(guān)注[1]。

2.3 人機(jī)功效

人機(jī)功效被定義為：操作人員從事的工作帶來(lái)的結(jié)果對(duì)完成工作目標(biāo)的貢獻(xiàn)[28]。每個(gè)工作周期生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量、質(zhì)量以及每個(gè)產(chǎn)品平均消耗的資源等指標(biāo)常常被用來(lái)評(píng)價(jià)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的人機(jī)功效[29]。研究表明，人機(jī)信任以及人機(jī)安全等因素通過(guò)影響人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的人機(jī)交互表現(xiàn)來(lái)影響系統(tǒng)的人機(jī)功效[30]。

2.3.1 人機(jī)功效相關(guān)理論

為了提高人機(jī)協(xié)同作業(yè)中的人機(jī)功效，研究者提出了許多相關(guān)的理論。有研究者針對(duì)動(dòng)態(tài)和固定的作業(yè)任務(wù)，構(gòu)建可以合理分配任務(wù)的協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)框架[31]。也有研究者對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探索通過(guò)在生產(chǎn)線(xiàn)上改變工作地點(diǎn)的位置，或在生產(chǎn)線(xiàn)上增加新的傳送帶等方式提高人機(jī)功效的途徑。文獻(xiàn)[32]則研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對(duì)工業(yè)裝配任務(wù)中人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)工作性能的影響。

然而，隨著協(xié)作機(jī)器人在工廠中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，如何在人機(jī)協(xié)同作業(yè)過(guò)程中平衡好人機(jī)功效與人機(jī)工程等各因素的關(guān)系，成為人機(jī)協(xié)同交互的新挑戰(zhàn)。毫無(wú)疑問(wèn)，協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用在帶來(lái)許多挑戰(zhàn)的同時(shí)，也在很大程度上提高了生產(chǎn)效率，但同時(shí)也應(yīng)考慮到效率與人機(jī)工程的平衡[29]。文獻(xiàn)[33]在模型中結(jié)合生產(chǎn)率和人機(jī)功效2個(gè)維度的指標(biāo)，對(duì)手動(dòng)操作和人機(jī)協(xié)同裝配系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)[29]提出通過(guò)交互式進(jìn)化算法，將操作人員的主觀評(píng)價(jià)和心率信號(hào)作為反饋來(lái)評(píng)估并調(diào)整任務(wù)分配，從而優(yōu)化人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的工作節(jié)奏，在人機(jī)功效與人機(jī)工程之間尋找平衡。文獻(xiàn)[34]利用操作者佩戴的3種不同的可穿戴設(shè)備（胸帶、手環(huán)和智能手表）收集的生理數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)在保證生產(chǎn)率的同時(shí)減少操作者腦力和體力負(fù)荷的智能決策系統(tǒng)。

2.3.2 人機(jī)功效相關(guān)應(yīng)用

在人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的人機(jī)功效研究中，有研究者關(guān)注其能否在企業(yè)中得到成功應(yīng)用。文獻(xiàn)[34]在協(xié)作機(jī)器人融入中小企業(yè)的工作場(chǎng)所的背景下，針對(duì)單調(diào)、繁瑣和壓力大的工作影響操作人員健康的問(wèn)題，在分析其中的工作流程和操作人員負(fù)荷后，發(fā)現(xiàn)了在不影響效率的前提下降低操作人員在重復(fù)工作中的體力負(fù)荷的方法，而文獻(xiàn)[35]也得到了類(lèi)似的結(jié)果。

3 人因設(shè)計(jì)

3.1 人的感知角度

3.1.1 增強(qiáng)人的敏銳度

操作人員的敏銳度是指操作人員在操作過(guò)程中對(duì)周?chē)h(huán)境、機(jī)器設(shè)備、工具、產(chǎn)品等信息的感知和識(shí)別能力，也包括操作人員在人機(jī)協(xié)同過(guò)程中的身體和心理狀態(tài)[36]。增強(qiáng)人的敏銳度可以提高用戶(hù)的工作效率及安全性。

將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality, AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality, VR）技術(shù)應(yīng)用于電子智能制造人機(jī)協(xié)同工作場(chǎng)景中，通過(guò)提供新穎的用戶(hù)界面，輕松地將現(xiàn)實(shí)世界與附加信息融合，或?yàn)椴僮魅藛T創(chuàng)造完全虛擬的操作環(huán)境，這種環(huán)境將大大提高操作人員的感知。文獻(xiàn)[37]通過(guò)比較操作人員在虛擬環(huán)境和物理環(huán)境中的操作效率、心理感受、沉浸感等方面的差異，得出與物理環(huán)境相比，在虛擬環(huán)境中工作可以提高用戶(hù)反應(yīng)速度的結(jié)論。與VR相比，AR的功能在人機(jī)協(xié)同工作中有著更廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[38]提出利用AR將動(dòng)態(tài)交互式信息疊加顯示在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，以增強(qiáng)協(xié)同裝配場(chǎng)景中操作人員的感知。例如，將裝配、警告和生產(chǎn)信息以文本形式顯示在頂部區(qū)域，以免干擾正常視野范圍，并使用不同的顏色來(lái)突出顯示不同類(lèi)型的消息（綠色表示組裝說(shuō)明，紅色表示警告消息），如圖6所示。

圖6 AR環(huán)境中的信息顯示[38]

3.1.2 方便人的操控

不同于手動(dòng)、程序、遙控等傳統(tǒng)的操控方式，在人機(jī)協(xié)同工作的場(chǎng)景中，用戶(hù)可以通過(guò)手勢(shì)、語(yǔ)音、生物信號(hào)、操作活動(dòng)等多種表現(xiàn)形式來(lái)傳達(dá)操作意圖[36]。

通過(guò)新的操控方式，用戶(hù)即使雙手皆忙于任務(wù)，也能輕松地對(duì)協(xié)作機(jī)器人發(fā)出指令。文獻(xiàn)[39]使用力傳感器接收人體上半身每一個(gè)動(dòng)作變化所產(chǎn)生的信號(hào)，并以此作為對(duì)機(jī)器人的命令。為了在嘈雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)作機(jī)器人的控制，文獻(xiàn)[40]將腦電波應(yīng)用于嘈雜環(huán)境中驅(qū)動(dòng)協(xié)同工作中機(jī)器人的動(dòng)作。文獻(xiàn)[41]通過(guò)可穿戴傳感器，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手勢(shì)識(shí)別遠(yuǎn)程操控機(jī)器人停止、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等功能。與傳統(tǒng)的遙控設(shè)備相比，可穿戴傳感器更加便利，功能也更多樣。

3.1.3 減少人的身心負(fù)荷

以人為中心的人機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)還體現(xiàn)在協(xié)同作業(yè)中操作人員的身體負(fù)荷（如疲勞）和精神疲勞（如壓力）方面。大量超負(fù)荷和不正確的身體姿態(tài)有可能給操作人員帶來(lái)潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)和職業(yè)傷害，如肌肉、骨骼方面的疾病[36]。

目前，已有部分研究從不同方面幫助人機(jī)協(xié)同工作中的操作人員減輕工作負(fù)荷。文獻(xiàn)[42]提出了一種可以計(jì)算協(xié)同中操作人員關(guān)節(jié)載荷的模型，根據(jù)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，在當(dāng)前工作中調(diào)整機(jī)器人的軌跡以適應(yīng)符合人體工程學(xué)的身體姿勢(shì)。文獻(xiàn)[43]利用肌電圖傳感器測(cè)量當(dāng)前工作中人體肌肉活動(dòng)和疲勞程度，以分析操作人員的耐力，協(xié)作機(jī)器人根據(jù)人類(lèi)的行為信息，調(diào)整協(xié)作的速度和頻率，幫助操作人員恢復(fù)體力。文獻(xiàn)[44]基于心率變異性（Heart Rate Variability,HRV）信號(hào)開(kāi)發(fā)了一種解決操作人員腦疲勞的算法。該算法可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性及速度適應(yīng)用戶(hù)的精神狀態(tài)，幫助調(diào)節(jié)用戶(hù)的腦力負(fù)荷。

3.2 協(xié)作機(jī)器人的能力

3.2.1 機(jī)器人狀態(tài)可讀

在人機(jī)協(xié)同工作中，要保證機(jī)器人在不同任務(wù)中對(duì)用戶(hù)的精確了解，以提供更安全、更有效的交互[45]，同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)確保機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)易于被操作人員讀取。

機(jī)器人狀態(tài)可讀是將機(jī)器人的動(dòng)作和計(jì)劃（可預(yù)測(cè)和不可預(yù)測(cè)）直觀地傳達(dá)給操作人員，這有助于提升用戶(hù)的認(rèn)知能力，并為其下一步?jīng)Q策提供幫助[36]。文獻(xiàn)[46]在移動(dòng)機(jī)器人上設(shè)計(jì)了投射箭頭和閃光燈，用于傳達(dá)機(jī)器人的路徑和目標(biāo)信息，方便用戶(hù)更快地辨別協(xié)作機(jī)器人的移動(dòng)意圖，以免發(fā)生不必要的碰撞。對(duì)于更復(fù)雜的機(jī)器人狀態(tài)（如任務(wù)完成進(jìn)度）的表達(dá)，文獻(xiàn)[47]提出了基于動(dòng)物肢體語(yǔ)言的動(dòng)物手勢(shì)方式，用于用戶(hù)和協(xié)作機(jī)器人之間的信息傳達(dá)，以幫助操作人員直觀地了解協(xié)作機(jī)器人的狀態(tài)。

3.2.2 機(jī)器人認(rèn)知

機(jī)器人認(rèn)知旨在希望協(xié)作機(jī)器人深入理解操作人員的行為和意圖，并與任務(wù)目標(biāo)緊密結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操作人員期望的協(xié)作機(jī)器人自適應(yīng)操縱[36]。

隨著人機(jī)工程學(xué)和機(jī)器人學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展和完善，機(jī)器人的認(rèn)知能力已經(jīng)不再局限于最初的水平即僅考慮交互范圍（避免碰撞），而開(kāi)始考慮交互動(dòng)作等更進(jìn)一步的認(rèn)知信息[48]，目前具有認(rèn)知功能的協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)演變成智能代理，并主動(dòng)加入人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的合作[36]。文獻(xiàn)[49]在人機(jī)協(xié)同任務(wù)中為操作人員佩戴了可穿戴振動(dòng)觸覺(jué)環(huán)，機(jī)器人通過(guò)解讀觸覺(jué)環(huán)傳達(dá)的信息，理解操作人員即將采取的行動(dòng)，而用戶(hù)則接收振動(dòng)觸覺(jué)反饋以確認(rèn)信息。在人機(jī)協(xié)同工作任務(wù)中，文獻(xiàn)[50]開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器人學(xué)習(xí)的雙輸入深度學(xué)習(xí)算法，使協(xié)作機(jī)器人從操作人員的演示中自主學(xué)習(xí)。該算法的框架如圖7所示。

圖7 基于機(jī)器人學(xué)習(xí)的雙輸入深度學(xué)習(xí)算法[50]

共享工作空間是人機(jī)協(xié)作區(qū)域，待組裝區(qū)域包含等待組裝的下一個(gè)部分。相機(jī)1為目標(biāo)攝像頭，用來(lái)監(jiān)控工作區(qū)域；相機(jī)2為背景攝像頭，用來(lái)監(jiān)控待處理區(qū)域。將這2個(gè)攝像頭的數(shù)據(jù)輸入到該模型。在協(xié)作階段，通過(guò)模型做出操作決策，以便進(jìn)一步協(xié)作。將此框架拓展至電子智能制造領(lǐng)域，可以理解為用戶(hù)在等待區(qū)域放置一個(gè)零件，然后控制機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置。工作完成后，用戶(hù)控制機(jī)器人回到起始位置。這個(gè)過(guò)程可以重復(fù)進(jìn)行，直到每個(gè)零件組裝完畢。在演示過(guò)程中，用戶(hù)使用控制器操作機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同裝配。

3.3 人機(jī)協(xié)同的工作空間

人機(jī)協(xié)同作業(yè)是指操作人員和機(jī)器人共享一個(gè)工作空間并同時(shí)在同一組件上進(jìn)行工作，因此研究協(xié)同作業(yè)空間在人因設(shè)計(jì)中也顯得尤為重要[28]。在協(xié)同作業(yè)場(chǎng)所中，用戶(hù)與協(xié)作機(jī)器人可以順暢地互動(dòng)，共同提升工作效率、生產(chǎn)力及靈活性，達(dá)到較高的協(xié)同水平。

3.3.1 協(xié)同工作空間設(shè)計(jì)

人機(jī)協(xié)同空間設(shè)計(jì)是對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行幾何和語(yǔ)義知識(shí)的解釋?zhuān)o態(tài)和動(dòng)態(tài)對(duì)象的檢測(cè)、空間姿態(tài)估計(jì)、整體場(chǎng)景構(gòu)建和任務(wù)解釋[36]。

在工作空間的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)該考慮安全，在此背景下，協(xié)作機(jī)器人工作場(chǎng)所的設(shè)施布局問(wèn)題是當(dāng)前面臨的最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一。文獻(xiàn)[51]提出了一種基于知識(shí)的人機(jī)協(xié)同工作場(chǎng)所布局優(yōu)化方法，為實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)協(xié)同提供了一種有價(jià)值的工具。對(duì)于模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人的工作空間配置和組件的布置，文獻(xiàn)[52]提出需要在工作空間中考慮到操作人員的參與。對(duì)于特定類(lèi)型的協(xié)作機(jī)器人（如ABB YuMi），文獻(xiàn)[53]提出需要分別研究人機(jī)協(xié)同工作站的工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)、裝配流程設(shè)計(jì)、工作站設(shè)計(jì)、實(shí)施和驗(yàn)證過(guò)程，以確保工作空間的合理性和可用性。不可否認(rèn)的是，人機(jī)工作空間的設(shè)計(jì)高度依賴(lài)于裝配規(guī)劃人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，因此，文獻(xiàn)[54]提出在進(jìn)行人機(jī)協(xié)同空間設(shè)計(jì)時(shí)，將人類(lèi)工作者的偏好納入?yún)f(xié)同環(huán)境設(shè)計(jì)中是非常重要的。

3.3.2 協(xié)同工作空間限制

在人機(jī)協(xié)同工作空間中，對(duì)空間加以一定的限制是必要的，通過(guò)某些強(qiáng)制的限制/約束規(guī)定協(xié)作機(jī)器人的工作空間，以最大程度地保證操作人員的安全。文獻(xiàn)[55]通過(guò)研究提出了一種阻止操作人員強(qiáng)迫協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行某種配置的方法。該方法由虛擬約束和笛卡爾導(dǎo)納控制方案組成，可根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)可操控性指數(shù)進(jìn)行調(diào)整。文獻(xiàn)[56]將任務(wù)堆棧法與二次編程相結(jié)合，使協(xié)作機(jī)器人的無(wú)效空間達(dá)到飽和，通過(guò)這種方法可以限制協(xié)作機(jī)器人的工作空間，使機(jī)器人保持在由其配置空間內(nèi)的位置、速度和加速度組成的一組約束內(nèi)，以達(dá)成對(duì)協(xié)作機(jī)器人工作空間的限制。文獻(xiàn)[57]將操作空間控制公式與任務(wù)堆棧技術(shù)相結(jié)合，對(duì)文獻(xiàn)[56]提出的方法進(jìn)行擴(kuò)展，并將算法轉(zhuǎn)化為基于扭矩的方法，通過(guò)在任務(wù)堆棧中創(chuàng)建高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，可以將協(xié)作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分別限制在笛卡爾空間和配置空間內(nèi)。文獻(xiàn)[58]對(duì)文獻(xiàn)[59]提出的能量感知控制方案進(jìn)行了擴(kuò)展，加入了由文獻(xiàn)[60]首次提出的人工勢(shì)場(chǎng)的概念，此概念的加入限制了處于合規(guī)狀態(tài)的協(xié)作機(jī)器人的執(zhí)行工作空間（圖8）。

圖8 機(jī)械臂處于合規(guī)狀態(tài)時(shí)虛擬工作空間約束[60]

3.4 人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配

在人機(jī)協(xié)同交互領(lǐng)域，任務(wù)分配方案會(huì)直接影響操作人員的生產(chǎn)效率和工作強(qiáng)度[61]。如今，隨著產(chǎn)品生命周期的縮短，制造方式正在從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多品種、小批量的生產(chǎn)模式。因此，人機(jī)協(xié)同工作中的任務(wù)分配顯得尤為重要[29]。目前，電子智能制造領(lǐng)域人機(jī)協(xié)同任務(wù)調(diào)度的研究大多只停留在基于數(shù)學(xué)模型以降低成本、提高效率為目的的調(diào)度模式，未將操作人員的感受納入研究范圍[62]。

3.4.1 固定順序任務(wù)分配

在固定順序任務(wù)分配模式下，研究人員提出了多種依據(jù)不同原則的人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配方式。文獻(xiàn)[63]提出了基于工作量的任務(wù)分配模式，其中工作量由“用戶(hù)”和“機(jī)器人”根據(jù)其身體狀態(tài)和技能水平分擔(dān)，而研究者以任務(wù)復(fù)雜性、智能體靈活性和智能體工作量為指標(biāo)來(lái)評(píng)估協(xié)作機(jī)器人的技能水平。文獻(xiàn)[64]認(rèn)為必須根據(jù)任務(wù)的難度和復(fù)雜性評(píng)估來(lái)分配資源或職責(zé)。文獻(xiàn)[65]針對(duì)單個(gè)操作人員和單個(gè)機(jī)器人協(xié)同的情況提出了任務(wù)分配方式，以最大限度地減少任務(wù)完成時(shí)間，減小人類(lèi)身體壓力。文獻(xiàn)[66]提出了一種全面的拆卸序列規(guī)劃算法。該算法可將整個(gè)任務(wù)拆解成單個(gè)子任務(wù)，并將子任務(wù)分配給不同的操作人員和協(xié)作機(jī)器人。但在實(shí)際生產(chǎn)中，協(xié)同任務(wù)有可能無(wú)法按照固定分配的任務(wù)順序進(jìn)行[67]，因此任務(wù)分配必須能夠依照任務(wù)的實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.4.2 動(dòng)態(tài)最優(yōu)任務(wù)分配

基于上述研究，部分研究者在固定順序分配的基礎(chǔ)上提出了動(dòng)態(tài)的任務(wù)分配方式。此類(lèi)分配模式可以依據(jù)實(shí)際工作過(guò)程中操作人員、協(xié)作機(jī)器人以及環(huán)境的狀態(tài)對(duì)任務(wù)分配進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，以滿(mǎn)足實(shí)際需求。

文獻(xiàn)[68]提出了新的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配范式。該過(guò)程利用人類(lèi)和機(jī)器人的不同技能來(lái)對(duì)任務(wù)進(jìn)行分類(lèi)，并允許在任務(wù)執(zhí)行出現(xiàn)意外延遲的情況下重新分配任務(wù)。文獻(xiàn)[69]提出了人機(jī)協(xié)同工作中的任務(wù)分配框架，允許系統(tǒng)處理不同的動(dòng)態(tài)事件以找到最有效的解決方案。文獻(xiàn)[61]從人體疲勞模型出發(fā)，設(shè)計(jì)任務(wù)重分配方法。該方法主要包括3個(gè)模塊：疲勞特征提取、多模態(tài)疲勞評(píng)估和任務(wù)重新分配。疲勞特征提取模塊從視頻和腦電信號(hào)中提取特征，然后將提取的疲勞特征傳遞給多模態(tài)疲勞評(píng)估模塊以評(píng)估操作人員的疲勞程度，最終利用疲勞程度來(lái)更新任務(wù)，并根據(jù)疲勞模型重新分配任務(wù)（圖9）。

圖9 基于動(dòng)態(tài)人體疲勞模型的人機(jī)協(xié)同任務(wù)重分配方法框架[61]

4 挑戰(zhàn)與未來(lái)展望

4.1 人類(lèi)意圖識(shí)別

電子制造領(lǐng)域中的人類(lèi)意圖識(shí)別是人機(jī)協(xié)同工作中的一項(xiàng)關(guān)鍵認(rèn)知能力。人類(lèi)意圖識(shí)別可以分為短期意圖識(shí)別和長(zhǎng)期意圖識(shí)別。短期人類(lèi)意圖是指人類(lèi)期望協(xié)作機(jī)器人執(zhí)行的操作或在執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)的背景下人類(lèi)自己的目標(biāo)[70]。人類(lèi)的短期意圖可以是顯式或隱式的，顯式意圖是通過(guò)語(yǔ)音、生物信號(hào)等方式有目的地傳遞信息，直接告訴機(jī)器人需要做什么[71]；隱式意圖是通過(guò)手勢(shì)、動(dòng)作等方式，為機(jī)器人提供足夠的信息來(lái)推斷潛在的人類(lèi)意圖[72]。長(zhǎng)期人類(lèi)意圖是指人類(lèi)在整個(gè)制造職業(yè)生涯中的愿望，如尊重、晉升和提高技能等[70]。

理解短期人類(lèi)意圖旨在使協(xié)作機(jī)器人能夠與用戶(hù)以安全有效的方式完成制造任務(wù)，而理解長(zhǎng)期人類(lèi)意圖則可以滿(mǎn)足人類(lèi)在制造中更高的需求，包括歸屬感、尊重和自我實(shí)現(xiàn)。目前的研究目標(biāo)主要聚焦于機(jī)器人對(duì)人類(lèi)短期意圖的識(shí)別與理解，在這種趨勢(shì)下，衡量及理解人的長(zhǎng)期意圖變得較為困難。因此在今后的研究工作中，對(duì)長(zhǎng)期人類(lèi)意圖的理解也應(yīng)該作為協(xié)作機(jī)器人的評(píng)估指標(biāo)之一，以求在完善對(duì)人類(lèi)短期意圖的理解的前提下，盡可能地滿(mǎn)足人類(lèi)的長(zhǎng)期意圖。

4.2 人機(jī)協(xié)同中的自組織行為

人機(jī)協(xié)同中的自組織行為是指協(xié)同系統(tǒng)在沒(méi)有外部干預(yù)的情況下，人類(lèi)和機(jī)器通過(guò)預(yù)測(cè)彼此的需求并通過(guò)共享模型適應(yīng)任務(wù)需求來(lái)協(xié)調(diào)彼此的活動(dòng)，最終通過(guò)相互之間的作用和演化，實(shí)現(xiàn)自我組織、自我完善和自我發(fā)展的過(guò)程[73]。

目前生產(chǎn)制造領(lǐng)域?qū)θ藱C(jī)協(xié)同的研究局限于對(duì)操作人員、協(xié)作機(jī)器人、環(huán)境、當(dāng)前任務(wù)等單一要素的分析，如對(duì)操作人員動(dòng)作的識(shí)別、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)監(jiān)控、物體姿態(tài)估計(jì)、導(dǎo)航地圖生成等[74]。然而，當(dāng)其中任何2個(gè)要素存在融合或重疊占用空間時(shí)，該如何判斷融合產(chǎn)生的危險(xiǎn)或重疊任務(wù)的優(yōu)先級(jí)？這給人機(jī)協(xié)同研究帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。

為解決上述問(wèn)題，在未來(lái)的人機(jī)協(xié)同研究中，應(yīng)當(dāng)適度引入自組織概念，在這種背景下，操作人員和機(jī)器人都可以根據(jù)對(duì)當(dāng)前任務(wù)情境的理解來(lái)改變自己的行為，以最大限度地提高人類(lèi)福祉和團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)力。協(xié)同制造中自組織行為可以延伸和細(xì)化成以下3個(gè)特征[70]：

1）自配置。人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)可以自動(dòng)將系統(tǒng)中的所有元素（包括人）配置成有意義的團(tuán)隊(duì)，完成按需制造任務(wù)。

2）自我優(yōu)化。人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)可以根據(jù)時(shí)空動(dòng)態(tài)和人類(lèi)偏好自我優(yōu)化其協(xié)作方案，以尋求人類(lèi)健康和團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)力的最大化。

3）自愈。當(dāng)發(fā)生局部波動(dòng)時(shí)，只需極少的人為干預(yù)，系統(tǒng)便可以恢復(fù)到最佳狀態(tài)。

以上特征可以幫助協(xié)作機(jī)器人及系統(tǒng)通過(guò)了解人類(lèi)的能力、狀態(tài)和偏好做出相應(yīng)的響應(yīng)，進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以確保機(jī)器人與人類(lèi)協(xié)同時(shí)建立最愉快的工作關(guān)系。在自組織的加入下人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)將演變成一個(gè)優(yōu)先考慮“以人為中心”和生產(chǎn)力的真正的智能系統(tǒng)。

4.3 針對(duì)未知情況的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配

在協(xié)同工作層面，動(dòng)態(tài)任務(wù)分配是指利用人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)在人類(lèi)和機(jī)器人之間主動(dòng)分配/重新分配任務(wù)，以?xún)?yōu)化人類(lèi)健康和處理突發(fā)事件[75]。盡管當(dāng)前的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配模式研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但他們大多依賴(lài)機(jī)器人狀態(tài)（即能力、可用性、健康狀態(tài)和偏好）、預(yù)定的任務(wù)約束、人體疲勞模型以及先前的經(jīng)驗(yàn)來(lái)動(dòng)態(tài)地分配任務(wù)，當(dāng)面臨更復(fù)雜的意外或未知情況時(shí)，當(dāng)前的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配系統(tǒng)就存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。

但在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)面對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中不可避免的人類(lèi)不確定性和產(chǎn)品變化時(shí)（例如，如果人工操作未能遵守任務(wù)優(yōu)先級(jí)約束或新產(chǎn)品有額外的制造工藝要求），系統(tǒng)應(yīng)該如何重新規(guī)劃任務(wù)使得人機(jī)協(xié)同繼續(xù)完成工作？

在此背景之下，首先應(yīng)當(dāng)考慮的是技術(shù)問(wèn)題，可以對(duì)協(xié)同系統(tǒng)中的每個(gè)智能體下一時(shí)段的注意力、行為和工作量進(jìn)行建模、模擬和預(yù)測(cè)，從而提前發(fā)現(xiàn)人類(lèi)潛在的錯(cuò)誤操作或機(jī)器人的失控動(dòng)作，及時(shí)預(yù)防出現(xiàn)意外的任務(wù)進(jìn)展或未知情況[36]。此外，操作人員對(duì)協(xié)同系統(tǒng)的信任度也是影響動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度的重要因素。只有在操作人員對(duì)協(xié)同系統(tǒng)具有極高的信任度時(shí)，才能確保他們?cè)谙到y(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)分配時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行。這對(duì)如何使協(xié)作機(jī)器人以可信賴(lài)的方式行動(dòng)提出了重大挑戰(zhàn)。人工智能缺乏普遍接受的道德體系[76]，使得值得信賴(lài)的移情人工智能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)變得復(fù)雜，因此需要開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)向智能系統(tǒng)灌輸?shù)赖略瓌t。

4.4 人–機(jī)器人協(xié)同作業(yè)中的人因研究體系

在從人因評(píng)估及人因設(shè)計(jì)2個(gè)角度對(duì)人–機(jī)器人協(xié)同作業(yè)中的人因問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的回顧之后，本文為今后的研究繪制了一份人–機(jī)器人協(xié)同作業(yè)中的人因研究體系，如圖10所示。圖中將4大人因設(shè)計(jì)元素細(xì)分為9個(gè)子元素，并對(duì)每個(gè)子元素側(cè)重的人機(jī)交互中的感知對(duì)象進(jìn)行了區(qū)分。雖然每個(gè)人因設(shè)計(jì)子元素都會(huì)涉及人因安全、人因信任及人因功效這3種人因評(píng)估因素，但不同的人因設(shè)計(jì)子元素各有側(cè)重，例如，在工作空間的空間限制設(shè)計(jì)問(wèn)題上，人因安全會(huì)被認(rèn)為是3個(gè)因素中的首要因素。此外，還對(duì)各人因設(shè)計(jì)子元素涉及的技術(shù)以及交互中傳遞的信息進(jìn)行了描繪。研究者可以參考該圖，為人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中的人因評(píng)估與人因設(shè)計(jì)尋求解決方案。

圖10 人–機(jī)器人協(xié)同作業(yè)中的人因研究體系

5 結(jié)束語(yǔ)

在以人為中心的智能制造時(shí)代，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都在努力實(shí)現(xiàn)真正的人機(jī)協(xié)同作業(yè)，其中協(xié)同中的人因問(wèn)題一直受到廣泛關(guān)注。本文在深入分析的基礎(chǔ)上，首先對(duì)電子及裝配制造業(yè)中協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展及其在工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的闡述；然后從人機(jī)信任、人體工效及人因安全3個(gè)關(guān)鍵維度出發(fā)，對(duì)協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行了人因評(píng)估；之后基于這些評(píng)估結(jié)果，對(duì)人機(jī)協(xié)同中的人因設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探究和總結(jié)；最后指出了現(xiàn)有人機(jī)協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)研究的不足，并在此基礎(chǔ)上就完善和推進(jìn)未來(lái)電子制造領(lǐng)域的人機(jī)協(xié)同研究提出了如下建議：

1）人類(lèi)意圖識(shí)別。一方面，要保證人類(lèi)短期意圖（如給協(xié)作機(jī)器人的信息或操作指令的傳遞）的順利實(shí)現(xiàn)；另一方面，不能忽視人的長(zhǎng)期意圖，即人類(lèi)的心理感受、健康福祉等。

2）協(xié)同系統(tǒng)的自組織行為。為達(dá)到在沒(méi)有外部干預(yù)的情況下，人類(lèi)和協(xié)作機(jī)器人可以預(yù)測(cè)彼此的需求，協(xié)調(diào)彼此活動(dòng)的目的，需實(shí)現(xiàn)協(xié)同系統(tǒng)的自組織行為。

3）面對(duì)未知情況的任務(wù)分配。需要從技術(shù)及人機(jī)信任2方面綜合考慮，以確保在發(fā)生意外情況時(shí)系統(tǒng)可以及時(shí)進(jìn)行任務(wù)的重新分配。

4）電子智能制造中不可忽視人的重要性。發(fā)展人機(jī)協(xié)同是電子機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的必由之路，要實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同，技術(shù)上可通過(guò)增強(qiáng)機(jī)器人認(rèn)知、機(jī)器人狀態(tài)可讀等方式提高協(xié)作機(jī)器人的智能程度。同時(shí)，也應(yīng)時(shí)刻關(guān)注人的心理感受等問(wèn)題。