工業(yè)機(jī)器人很危險 人機(jī)協(xié)作安全控制方案盤點

在最近的50年，工業(yè)機(jī)器人在全球制造業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。機(jī)器人密度成為評價一國制造業(yè)自動化水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。面臨中國人口紅利拐點，中國工人在“機(jī)器換人”的政策之風(fēng)下，也面臨著失業(yè)的風(fēng)險。同時，由于機(jī)器人技術(shù)水平以及集成度的關(guān)系，從一條智能化的工業(yè)4.0生產(chǎn)線來看，人工工位依舊存在，人機(jī)協(xié)作成為工業(yè)4.0的主流技術(shù)。機(jī)器人是技術(shù)工人的助手，做重復(fù)性的“臟活、累活”，減輕技術(shù)工人的負(fù)擔(dān)，并保障與工人“安全互動”。

這么多年，人們一直在研究使用機(jī)器人的安全問題。美國更是提出處于協(xié)同工作模式下的機(jī)器人須滿足標(biāo)準(zhǔn)提出的四項要求之一：

■ 具有安全等級的受控制動；

■ 手控；

■ 速度和間距監(jiān)控；

■ 限制功率和力。

國際委員會據(jù)此起草了ISO技術(shù)規(guī)范（TS）15066，作為在協(xié)同工作模式下使用此標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)。本文，我們就來盤點一下機(jī)器人集成方案中的工業(yè)安全控制方案。

盡管存在以上四個方面的要求，但從實際機(jī)器人集成方案來看，人機(jī)協(xié)作的安全控制方案無非兩種，一種是基于外部監(jiān)控的外部控制系統(tǒng)方案，另一種則是基于機(jī)器人本體設(shè)計的內(nèi)部控制系統(tǒng)方案。

一、區(qū)域監(jiān)控方案：激光距離傳感器安全光幕

大部分情況下，人類與機(jī)器人協(xié)同工作時，都要在機(jī)器人或者其所在的環(huán)境中安裝激光距離傳感器等，用于監(jiān)控機(jī)器人的整個工作區(qū)域。這種情況下，解決辦法是增加一個區(qū)域掃描或者光幕，可以監(jiān)測到“快速操作區(qū)域”內(nèi)是否有工人。

例如安川Motoman機(jī)器人，其功能安全選配單元上采用了具有安全等級的受控制動組件，后者位于機(jī)器人的控制器上。外部安全激光傳感器可以發(fā)現(xiàn)人員是否進(jìn)入機(jī)器人作業(yè)區(qū)域，并通知機(jī)器人手臂減速或者停止。

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如：S4、SFA系列無盲區(qū)安全光幕，

具有固定、浮動屏蔽，二次觸發(fā)等功能

分辨率14mm、21mm、36mm

光軸間距7.5mm、15mm、30mm

保護(hù)高度：（光軸數(shù)-1）*光軸距

適用于保護(hù)長度為0-6000mm以內(nèi)的保護(hù)區(qū)域。

二、輕量型設(shè)計方案：機(jī)器人本體輕量化

輕量型設(shè)計也是人機(jī)協(xié)作安全的一個可行方案，通過減輕機(jī)器人的機(jī)身重量，可以有效地降低其對人體的沖擊，從而保障人機(jī)協(xié)作的安全。

例如德國Bionic Robtics公司就開發(fā)了一款不配備安全傳感器也能與人協(xié)同工作的機(jī)器人——“BioRob LightweightRobot（BioRob）”。人類與BioRob協(xié)同工作不需要任何安全措施，主要是因為BioRob在研發(fā)時大幅減輕了機(jī)身重量，屬于輕量級機(jī)器人，即使是與人類并肩工作，它的碰撞到人類，人類也會減少它帶來的沖擊。

三、“本質(zhì)安全”方案：彈性驅(qū)動系統(tǒng)

Rethink Robotics公司的Baxter在2012年9月份投入美國市場后受到了廣泛的關(guān)注。作為全用途車間作業(yè)機(jī)器人，Baxter的設(shè)計使其無需價格高昂的編程，就可以在常規(guī)狀態(tài)下安全地與工人協(xié)同作業(yè)。Baxter號稱“本質(zhì)安全”。

相比于剛性驅(qū)動，彈性驅(qū)動更加符合安全要求，就像被彈簧彈中和被硬物擊中的差別一樣。

為Baxter贏得成功的專利技術(shù)誕生于麻省理工學(xué)院，核心技術(shù)為串聯(lián)彈性驅(qū)動器（SEA），SEA包括一臺電機(jī)、一個齒輪箱和一個彈簧。SEA的工作方式是通過測量彈簧的壓縮量來控制力的輸出，對于彈簧壓縮量的測量就是一個力傳感器。

四、力受限方案：運動控制系統(tǒng)

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對于力受限的協(xié)同機(jī)器人進(jìn)行風(fēng)險評估時，如果機(jī)器人調(diào)試到合理的力量和速度，潛在傷害的嚴(yán)重程度可以降低。

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例如Universal Robots公司的UR系列機(jī)器人，其重量只有18kg，其專利傳感器技術(shù)幫助其實現(xiàn)功率和力的限制功能。機(jī)器人知道使用多少力就足以提起負(fù)載并移動它，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)移動過程中所需的力矩或者力過高，例如在發(fā)生碰撞事故時，機(jī)器人手臂就會安全關(guān)斷不會造成傷害事故。

以上，就是工業(yè)機(jī)器人人機(jī)協(xié)作安全問題的幾個典型的解決方案，這幾個方案在機(jī)器人集成中并非獨立應(yīng)用，而是互相滲透加持。而在未來，隨著人工智能的全面發(fā)展，未來工業(yè)機(jī)器人或?qū)⒑椭悄軝C(jī)器人一樣，具有更加智能的安全防護(hù)功能，從而在生產(chǎn)過程中保障工人安全。

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