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來源：DigiKey 作者：Jeff Shepard 協作機器人 (Cobot) 設計用于與人類協同工作，并為工業 4.0 工廠中的靈活生產提供支持。與傳統工業機器人相比，協作機器人更簡單、更易設置，而且不需要安全隔離的工作空間。由于協作機器人設計用于與人類協同工作，因此其構造與其他工業機器人不同，包括碰撞檢測系統、力反饋、彈性執行器和低慣性伺服電機等功能。 協作機器人在設計上有所不同，因此有專門的安全標準。國際標準化組織技術規范 (ISO/TS) 15066 規定了工業協作機器人及其工作環境的安全要求。該規范補充了 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 中有關協作機器人操作的要求和指導。 本文簡要回顧了 ISO/TS 15066 的要求，以及這些要求如何與 ISO 10218-1 和 10218-2 相互補充。然后介紹了協作的復雜性，其中包括如何定義協作工作空間。還探討了與機器人安全相關的各種因素，例如協作機器人內置的安全功能、需要哪些外部安全功能，以及接近傳感器、光幕和安全接觸墊等典型設備。最后，簡要回顧了與協作機器人安全有關的一些特定應用。 工業機器人和協作機器人有多項重要安全標準。ISO/TS 15066 詳細規定了工業協作機器人系統和工作環境的安全要求，是對 ISO 10218 系列等舊標準中的有限要求的補充和完善。ISO 10218-1 側重于通用機器人和機器人設備，而 ISO 10218-2 則側重于機器人系統和集成。美國國家標準學會/機器人工業協會 (ANSI/RIA) R15.06 是 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 的國家級版本。 協作的復雜性 在詳細了解協作機器人的安全性之前，對協作進行定義會有所幫助。機器人協作非常復雜，包括三個要素： · 協作機器人，根據 ANSI/RIA R15.06，協作機器人是一種“設計用于在確定的協作工作空間內與人直接交互的機器人”。 · 協作操作，根據 ISO/TS 15066，協作操作是指“專門設計的機器人系統與操作員在協作工作空間中工作的狀態”。 · 最后是協作工作空間，根據 ANSI/RIA R15.06，協作工作空間是指“安全防護空間內機器人與人可在生產活動中同時執行任務的工作空間”。 這就涉及到“安全防護空間內”的協作工作空間的定義問題。除了協作機器人中包括的標準安全功能外，安全防護空間還設有一層額外的安全防護。 集成到協作機器人中的常見保護功能包括基于每個關節處的扭矩測量值的接觸檢測系統，該系統可監測意外沖擊、障礙物或過大的力或扭矩。為了能夠在斷電狀態下移動機械臂，還應該有自動制動系統和手動制動釋放裝置。 協作機器人與人的意外接觸尤其令人擔憂。標準規定，應防止機器人接觸人頭部的任何地方。此外，標準還將人體分成 29 個特定區域，并詳細說明了以下兩種接觸方式的限制： · 瞬時接觸，指協作機器人撞到人的動態移動事件。限制基于位置、慣性和相對速度。 · 準靜態接觸，在身體部位卡在協作機器人和某個表面之間時發生。限制基于與擠壓和夾緊效應相關的壓力和力。 該規范提供的是基于應用方面考慮的指導方針，而不是絕對限制。規范還指出，指導方針是為了提供信息，只反映了當前的最佳實踐，因為人與機器人之間的協作是一個新領域，還需要進行進一步研究。 協作的連續性 沒有單一的協作應用。人和機器人可以通過一種連續的方式進行交互和協作。協作應用的范圍很廣，涉及共存（當人進入協作工作空間時，機器人停止工作）和交互活動（人接觸正在工作的協作機器人）（圖 1）。 
圖 1：人機協作包括多種交互等級。（圖片來源：SICK） 為了確定個別協作應用的安全需求，需要進行風險評估。風險評估包括識別、評估和減輕與應用相關的危害和風險。ISO 10218 列出了在各種情況下適用的一系列安全功能，但沒有明確的要求。ISO/TS 15066 提供了與協作機器人風險評估相關的更多細節。在每種情況下，風險評估的目標都是為了確定確保協作應用安全實現所需的外部安全裝置和系統。 如需深入了解風險評估和機器人，請參閱文章“安全高效地將 AMR 集成到工業 4.0 設施中以實現最大效益”。 保護和效率 雖然協作機器人是為了安全操作而設計，但額外的保護層可以提高協作應用的效率。在沒有額外安全措施的情況下，當人進入協作工作空間時，ISO/TS 15066 規定每個軸的最大速度為 0.25 m/s。對于大部分協作機器人而言，這個速度非常慢。 例如，Schneider Electric 的 LXMRL12S0000 Lexium 協作機器人的最大有效載荷為 12 kg，工作半徑（工作范圍）為 1327 mm，定位精度為 ±0.03 mm，工具端的最大速度為 3 m/s，是 ISO/TS 15066 規定的人處于協作工作空間時的最大允許速度的 12 倍（圖 2）。
圖 2：這款協作機器人的速度是 ISO/TS 15066 規定的人處于協作工作空間時的最大允許速度的 12 倍。（圖片來源：Schneider Electric） 在許多應用中，協作機器人可能會長時間單獨工作。因此，如果能感測協作工作空間中是否有人，就可以在無人時以更快的速度工作，提高效率。感測人員存在的常見裝置包括安全掃描儀、光幕和安全接觸地墊。每種裝置都有各自的優勢，因此這些裝置經常組合使用。 安全掃描儀 安全掃描儀用于監控指定區域，以檢測人員的存在。這些裝置可以確定人的距離，并在有效安全區之外設置各種警戒區。 Omron 的型號 OS32C-SP1-4M 是專為與協作機器人配合使用而設計的安全激光掃描儀的典型范例。其安全半徑可達 4 米，并且支持在長達 15 米的范圍內設置多個警戒區。該掃描儀包括 70 套標準的安全區和警戒區組合，以支持復雜的協作工作空間。此外，最小物體分辨率可設置為 30、40、50 或 70 mm，響應時間范圍為 80 ms 至 680 ms，進一步提高了應用靈活性（圖 3）。
圖 3：這款安全掃描儀的安全半徑可達 4 米，并且支持在長達 15 米范圍內設置多個警戒區。（圖片來源：DigiKey） 光幕 光幕可檢測人的存在，并且還可設計用于檢測各種尺寸的物體，例如手指或手。與安全掃描儀不同，光幕不能測量距離。光幕會在線性發射器和接收器陣列之間發送一連串光束，當物體使一條或多條光束中斷時，就可以感應到。 如果按安全等級劃分，光幕主要有兩類：2 類和 4 類。它們的外觀相似，但設計用于提供不同程度的安全性。4 類可監控定義協作工作空間的安全防護空間。2 類光幕專為低風險應用而設計。 光幕提供周邊防護，并有多種分辨率可供選擇，如 14 mm（手指檢測）和 24 mm（手檢測）。Banner Engineering 的型號 SLC4P24-160P44 是一款 4 類光幕套件，配備發射器和接收器陣列，分辨率為 24 mm，用于保護人和協作機器人等機器（圖 4）。發射器有一排同步調制紅外發光二極管。接收器有一排對應的同步光電探測器。發射器的射程為 2 米，光幕的安裝長度為 160 mm 至 320 mm（以 80 mm 為增量）。
圖 4：這款 4 類光幕的分辨率為 24 mm。（圖片來源：Banner Engineering） 安全激光掃描儀和光幕為提高協作工作空間的安全性提供了非接觸式手段。但是，它們難以用于光學條件苛刻的環境，例如具有強反射表面的區域，這些區域會產生不必要的光干擾，而且這些裝置可能會因油脂泄漏、灰塵過多或濕度過大而觸發。 為了減輕某些類型的干擾，這些光學傳感器還會加入靈敏度調節功能。靈敏度調節功能可能會增加響應時間，并導致其他方面的性能下降。另一種解決方案是將安全接觸墊和光學傳感裝置結合使用。 安全接觸墊 安全接觸墊有兩塊導電板，中間由光柵化絕緣層隔開，可單獨使用，也可與其他類型的傳感器結合使用。如果有人踩到墊子，上面的導電板就會被壓下并接觸到下面的導電板，從而觸發警報信號（圖 5）。接觸墊的外部是一種聚氨酯材料，這種材料防滑、防水、防塵且防油。ASO Safety Solutions 的 SENTIR 接觸墊型號 1602-5533 最多可將 10 個接觸墊串聯到一個監控裝置上，最大覆蓋面積為 10 m2。
圖 5：有人踩在安全墊上時，其頂部和底部導電層接觸，觸發警報信號。（圖片來源：ASO Safety Solutions） 安全在于細節 保證安全沒有單一的方法。每種協作應用都有所相同，需要根據其獨有的特性和需求進行處理。一個關鍵因素是：應用在協作的連續系統中處于什么位置（見圖 1）？協作機器人與人的交互越密切，需要的安全防護也就越多。 還有更多細節需要考慮。其中包括： · 每個位置都需要進行詳細的風險評估，以確定協作機器人是否已從一個工作站移至另一個工作站。即使看似相同，微小的差異也會影響安全。 · 如果協作工作空間中有其他機器，是否需要將它們與協作機器人的關閉系統或安全減速系統相連？ · 本文重點關注安全相關的硬件，但對于日益普遍的聯網系統，網絡安全是防止協作機器人操作或安全系統受到干擾的重要考慮因素。 總結 協作機器人安全性非常復雜。首先要確定安全防護空間內的協作工作空間，然后還要對協作操作進行風險評估。ISO/TS 15066 和 ISO 10218 系列等標準非常重要，它們提供了建議和指導。協作機器人必須具備基本的安全功能，如碰撞檢測系統、力反饋、彈性執行器和低慣性伺服電機。根據協作應用的具體情況，可能還需要額外的安全裝置，例如接近傳感器、光幕和安全接觸墊。 |
