|
來源：DigiKey 作者：Jeff Shepard 協(xié)作機器人 (Cobot) 設(shè)計用于與人類協(xié)同工作，并為工業(yè) 4.0 工廠中的靈活生產(chǎn)提供支持。與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比，協(xié)作機器人更簡單、更易設(shè)置，而且不需要安全隔離的工作空間。由于協(xié)作機器人設(shè)計用于與人類協(xié)同工作，因此其構(gòu)造與其他工業(yè)機器人不同，包括碰撞檢測系統(tǒng)、力反饋、彈性執(zhí)行器和低慣性伺服電機等功能。 協(xié)作機器人在設(shè)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(shù)規(guī)范 (ISO/TS) 15066 規(guī)定了工業(yè)協(xié)作機器人及其工作環(huán)境的安全要求。該規(guī)范補充了 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 中有關(guān)協(xié)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(xié)作的復雜性，其中包括如何定義協(xié)作工作空間。還探討了與機器人安全相關(guān)的各種因素，例如協(xié)作機器人內(nèi)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(shè)備。最后，簡要回顧了與協(xié)作機器人安全有關(guān)的一些特定應用。 工業(yè)機器人和協(xié)作機器人有多項重要安全標準。ISO/TS 15066 詳細規(guī)定了工業(yè)協(xié)作機器人系統(tǒng)和工作環(huán)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(cè)重于通用機器人和機器人設(shè)備，而 ISO 10218-2 則側(cè)重于機器人系統(tǒng)和集成。美國國家標準學會/機器人工業(yè)協(xié)會 (ANSI/RIA) R15.06 是 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 的國家級版本。 協(xié)作的復雜性 在詳細了解協(xié)作機器人的安全性之前，對協(xié)作進行定義會有所幫助。機器人協(xié)作非常復雜，包括三個要素： · 協(xié)作機器人，根據(jù) ANSI/RIA R15.06，協(xié)作機器人是一種“設(shè)計用于在確定的協(xié)作工作空間內(nèi)與人直接交互的機器人”。 · 協(xié)作操作，根據(jù) ISO/TS 15066，協(xié)作操作是指“專門設(shè)計的機器人系統(tǒng)與操作員在協(xié)作工作空間中工作的狀態(tài)”。 · 最后是協(xié)作工作空間，根據(jù) ANSI/RIA R15.06，協(xié)作工作空間是指“安全防護空間內(nèi)機器人與人可在生產(chǎn)活動中同時執(zhí)行任務的工作空間”。 這就涉及到“安全防護空間內(nèi)”的協(xié)作工作空間的定義問題。除了協(xié)作機器人中包括的標準安全功能外，安全防護空間還設(shè)有一層額外的安全防護。 集成到協(xié)作機器人中的常見保護功能包括基于每個關(guān)節(jié)處的扭矩測量值的接觸檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可監(jiān)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(tài)下移動機械臂，還應該有自動制動系統(tǒng)和手動制動釋放裝置。 協(xié)作機器人與人的意外接觸尤其令人擔憂。標準規(guī)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(qū)域，并詳細說明了以下兩種接觸方式的限制： · 瞬時接觸，指協(xié)作機器人撞到人的動態(tài)移動事件。限制基于位置、慣性和相對速度。 · 準靜態(tài)接觸，在身體部位卡在協(xié)作機器人和某個表面之間時發(fā)生。限制基于與擠壓和夾緊效應相關(guān)的壓力和力。 該規(guī)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(guī)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(xié)作是一個新領(lǐng)域，還需要進行進一步研究。 協(xié)作的連續(xù)性 沒有單一的協(xié)作應用。人和機器人可以通過一種連續(xù)的方式進行交互和協(xié)作。協(xié)作應用的范圍很廣，涉及共存（當人進入?yún)f(xié)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(xié)作機器人）（圖 1）。 
圖 1：人機協(xié)作包括多種交互等級。（圖片來源：SICK） 為了確定個別協(xié)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(guān)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(xié)作機器人風險評估相關(guān)的更多細節(jié)。在每種情況下，風險評估的目標都是為了確定確保協(xié)作應用安全實現(xiàn)所需的外部安全裝置和系統(tǒng)。 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(yè) 4.0 設(shè)施中以實現(xiàn)最大效益”。 保護和效率 雖然協(xié)作機器人是為了安全操作而設(shè)計，但額外的保護層可以提高協(xié)作應用的效率。在沒有額外安全措施的情況下，當人進入?yún)f(xié)作工作空間時，ISO/TS 15066 規(guī)定每個軸的最大速度為 0.25 m/s。對于大部分協(xié)作機器人而言，這個速度非常慢。 例如，Schneider Electric 的 LXMRL12S0000 Lexium 協(xié)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(guī)定的人處于協(xié)作工作空間時的最大允許速度的 12 倍（圖 2）。
圖 2：這款協(xié)作機器人的速度是 ISO/TS 15066 規(guī)定的人處于協(xié)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(xié)作機器人可能會長時間單獨工作。因此，如果能感測協(xié)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(yōu)勢，因此這些裝置經(jīng)常組合使用。 安全掃描儀 安全掃描儀用于監(jiān)控指定區(qū)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(qū)之外設(shè)置各種警戒區(qū)。 Omron 的型號 OS32C-SP1-4M 是專為與協(xié)作機器人配合使用而設(shè)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(nèi)設(shè)置多個警戒區(qū)。該掃描儀包括 70 套標準的安全區(qū)和警戒區(qū)組合，以支持復雜的協(xié)作工作空間。此外，最小物體分辨率可設(shè)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(nèi)設(shè)置多個警戒區(qū)。（圖片來源：DigiKey） 光幕 光幕可檢測人的存在，并且還可設(shè)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(fā)射器和接收器陣列之間發(fā)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(shè)計用于提供不同程度的安全性。4 類可監(jiān)控定義協(xié)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(shè)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(fā)射器和接收器陣列，分辨率為 24 mm，用于保護人和協(xié)作機器人等機器（圖 4）。發(fā)射器有一排同步調(diào)制紅外發(fā)光二極管。接收器有一排對應的同步光電探測器。發(fā)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(xié)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(huán)境，例如具有強反射表面的區(qū)域，這些區(qū)域會產(chǎn)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(fā)。 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(diào)節(jié)功能。靈敏度調(diào)節(jié)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(jié)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(jié)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(fā)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(lián)到一個監(jiān)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(fā)警報信號。（圖片來源：ASO Safety Solutions） 安全在于細節(jié) 保證安全沒有單一的方法。每種協(xié)作應用都有所相同，需要根據(jù)其獨有的特性和需求進行處理。一個關(guān)鍵因素是：應用在協(xié)作的連續(xù)系統(tǒng)中處于什么位置（見圖 1）？協(xié)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(jié)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(xié)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(xié)作工作空間中有其他機器，是否需要將它們與協(xié)作機器人的關(guān)閉系統(tǒng)或安全減速系統(tǒng)相連？ · 本文重點關(guān)注安全相關(guān)的硬件，但對于日益普遍的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)安全是防止協(xié)作機器人操作或安全系統(tǒng)受到干擾的重要考慮因素。 總結(jié) 協(xié)作機器人安全性非常復雜。首先要確定安全防護空間內(nèi)的協(xié)作工作空間，然后還要對協(xié)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(xié)作機器人必須具備基本的安全功能，如碰撞檢測系統(tǒng)、力反饋、彈性執(zhí)行器和低慣性伺服電機。根據(jù)協(xié)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。 |
