|
來(lái)源：DigiKey 作者：Jeff Shepard 協(xié)作機(jī)器人 (Cobot) 設(shè)計(jì)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(jī)器人相比，協(xié)作機(jī)器人更簡(jiǎn)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(jī)器人設(shè)計(jì)用于與人類協(xié)同工作，因此其構(gòu)造與其他工業(yè)機(jī)器人不同，包括碰撞檢測(cè)系統(tǒng)、力反饋、彈性執(zhí)行器和低慣性伺服電機(jī)等功能。 協(xié)作機(jī)器人在設(shè)計(jì)上有所不同，因此有專門的安全標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織技術(shù)規(guī)范 (ISO/TS) 15066 規(guī)定了工業(yè)協(xié)作機(jī)器人及其工作環(huán)境的安全要求。該規(guī)范補(bǔ)充了 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 中有關(guān)協(xié)作機(jī)器人操作的要求和指導(dǎo)。 本文簡(jiǎn)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(bǔ)充。然后介紹了協(xié)作的復(fù)雜性，其中包括如何定義協(xié)作工作空間。還探討了與機(jī)器人安全相關(guān)的各種因素，例如協(xié)作機(jī)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(jiǎn)要回顧了與協(xié)作機(jī)器人安全有關(guān)的一些特定應(yīng)用。 工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人有多項(xiàng)重要安全標(biāo)準(zhǔn)。ISO/TS 15066 詳細(xì)規(guī)定了工業(yè)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)和工作環(huán)境的安全要求，是對(duì) ISO 10218 系列等舊標(biāo)準(zhǔn)中的有限要求的補(bǔ)充和完善。ISO 10218-1 側(cè)重于通用機(jī)器人和機(jī)器人設(shè)備，而 ISO 10218-2 則側(cè)重于機(jī)器人系統(tǒng)和集成。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)/機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì) (ANSI/RIA) R15.06 是 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 的國(guó)家級(jí)版本。 協(xié)作的復(fù)雜性 在詳細(xì)了解協(xié)作機(jī)器人的安全性之前，對(duì)協(xié)作進(jìn)行定義會(huì)有所幫助。機(jī)器人協(xié)作非常復(fù)雜，包括三個(gè)要素： · 協(xié)作機(jī)器人，根據(jù) ANSI/RIA R15.06，協(xié)作機(jī)器人是一種“設(shè)計(jì)用于在確定的協(xié)作工作空間內(nèi)與人直接交互的機(jī)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(jì)的機(jī)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(hù)空間內(nèi)機(jī)器人與人可在生產(chǎn)活動(dòng)中同時(shí)執(zhí)行任務(wù)的工作空間”。 這就涉及到“安全防護(hù)空間內(nèi)”的協(xié)作工作空間的定義問(wèn)題。除了協(xié)作機(jī)器人中包括的標(biāo)準(zhǔn)安全功能外，安全防護(hù)空間還設(shè)有一層額外的安全防護(hù)。 集成到協(xié)作機(jī)器人中的常見(jiàn)保護(hù)功能包括基于每個(gè)關(guān)節(jié)處的扭矩測(cè)量值的接觸檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)意外沖擊、障礙物或過(guò)大的力或扭矩。為了能夠在斷電狀態(tài)下移動(dòng)機(jī)械臂，還應(yīng)該有自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和手動(dòng)制動(dòng)釋放裝置。 協(xié)作機(jī)器人與人的意外接觸尤其令人擔(dān)憂。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)防止機(jī)器人接觸人頭部的任何地方。此外，標(biāo)準(zhǔn)還將人體分成 29 個(gè)特定區(qū)域，并詳細(xì)說(shuō)明了以下兩種接觸方式的限制： · 瞬時(shí)接觸，指協(xié)作機(jī)器人撞到人的動(dòng)態(tài)移動(dòng)事件。限制基于位置、慣性和相對(duì)速度。 · 準(zhǔn)靜態(tài)接觸，在身體部位卡在協(xié)作機(jī)器人和某個(gè)表面之間時(shí)發(fā)生。限制基于與擠壓和夾緊效應(yīng)相關(guān)的壓力和力。 該規(guī)范提供的是基于應(yīng)用方面考慮的指導(dǎo)方針，而不是絕對(duì)限制。規(guī)范還指出，指導(dǎo)方針是為了提供信息，只反映了當(dāng)前的最佳實(shí)踐，因?yàn)槿伺c機(jī)器人之間的協(xié)作是一個(gè)新領(lǐng)域，還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。 協(xié)作的連續(xù)性 沒(méi)有單一的協(xié)作應(yīng)用。人和機(jī)器人可以通過(guò)一種連續(xù)的方式進(jìn)行交互和協(xié)作。協(xié)作應(yīng)用的范圍很廣，涉及共存（當(dāng)人進(jìn)入?yún)f(xié)作工作空間時(shí)，機(jī)器人停止工作）和交互活動(dòng)（人接觸正在工作的協(xié)作機(jī)器人）（圖 1）。 
圖 1：人機(jī)協(xié)作包括多種交互等級(jí)。（圖片來(lái)源：SICK） 為了確定個(gè)別協(xié)作應(yīng)用的安全需求，需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括識(shí)別、評(píng)估和減輕與應(yīng)用相關(guān)的危害和風(fēng)險(xiǎn)。ISO 10218 列出了在各種情況下適用的一系列安全功能，但沒(méi)有明確的要求。ISO/TS 15066 提供了與協(xié)作機(jī)器人風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)的更多細(xì)節(jié)。在每種情況下，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目標(biāo)都是為了確定確保協(xié)作應(yīng)用安全實(shí)現(xiàn)所需的外部安全裝置和系統(tǒng)。 如需深入了解風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和機(jī)器人，請(qǐng)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(shí)現(xiàn)最大效益”。 保護(hù)和效率 雖然協(xié)作機(jī)器人是為了安全操作而設(shè)計(jì)，但額外的保護(hù)層可以提高協(xié)作應(yīng)用的效率。在沒(méi)有額外安全措施的情況下，當(dāng)人進(jìn)入?yún)f(xié)作工作空間時(shí)，ISO/TS 15066 規(guī)定每個(gè)軸的最大速度為 0.25 m/s。對(duì)于大部分協(xié)作機(jī)器人而言，這個(gè)速度非常慢。 例如，Schneider Electric 的 LXMRL12S0000 Lexium 協(xié)作機(jī)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(shí)的最大允許速度的 12 倍（圖 2）。
圖 2：這款協(xié)作機(jī)器人的速度是 ISO/TS 15066 規(guī)定的人處于協(xié)作工作空間時(shí)的最大允許速度的 12 倍。（圖片來(lái)源：Schneider Electric） 在許多應(yīng)用中，協(xié)作機(jī)器人可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間單獨(dú)工作。因此，如果能感測(cè)協(xié)作工作空間中是否有人，就可以在無(wú)人時(shí)以更快的速度工作，提高效率。感測(cè)人員存在的常見(jiàn)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(shì)，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(cè)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(hào) OS32C-SP1-4M 是專為與協(xié)作機(jī)器人配合使用而設(shè)計(jì)的安全激光掃描儀的典型范例。其安全半徑可達(dá) 4 米，并且支持在長(zhǎng)達(dá) 15 米的范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)警戒區(qū)。該掃描儀包括 70 套標(biāo)準(zhǔn)的安全區(qū)和警戒區(qū)組合，以支持復(fù)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(yīng)時(shí)間范圍為 80 ms 至 680 ms，進(jìn)一步提高了應(yīng)用靈活性（圖 3）。
圖 3：這款安全掃描儀的安全半徑可達(dá) 4 米，并且支持在長(zhǎng)達(dá) 15 米范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)警戒區(qū)。（圖片來(lái)源：DigiKey） 光幕 光幕可檢測(cè)人的存在，并且還可設(shè)計(jì)用于檢測(cè)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(cè)量距離。光幕會(huì)在線性發(fā)射器和接收器陣列之間發(fā)送一連串光束，當(dāng)物體使一條或多條光束中斷時(shí)，就可以感應(yīng)到。 如果按安全等級(jí)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(jì)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(hù)空間。2 類光幕專為低風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 光幕提供周邊防護(hù)，并有多種分辨率可供選擇，如 14 mm（手指檢測(cè)）和 24 mm（手檢測(cè)）。Banner Engineering 的型號(hào) 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(hù)人和協(xié)作機(jī)器人等機(jī)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(duì)應(yīng)的同步光電探測(cè)器。發(fā)射器的射程為 2 米，光幕的安裝長(zhǎng)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(lái)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(xué)條件苛刻的環(huán)境，例如具有強(qiáng)反射表面的區(qū)域，這些區(qū)域會(huì)產(chǎn)生不必要的光干擾，而且這些裝置可能會(huì)因油脂泄漏、灰塵過(guò)多或濕度過(guò)大而觸發(fā)。 為了減輕某些類型的干擾，這些光學(xué)傳感器還會(huì)加入靈敏度調(diào)節(jié)功能。靈敏度調(diào)節(jié)功能可能會(huì)增加響應(yīng)時(shí)間，并導(dǎo)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(xué)傳感裝置結(jié)合使用。 安全接觸墊 安全接觸墊有兩塊導(dǎo)電板，中間由光柵化絕緣層隔開(kāi)，可單獨(dú)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(dǎo)電板就會(huì)被壓下并接觸到下面的導(dǎo)電板，從而觸發(fā)警報(bào)信號(hào)（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(hào) 1602-5533 最多可將 10 個(gè)接觸墊串聯(lián)到一個(gè)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(shí)，其頂部和底部導(dǎo)電層接觸，觸發(fā)警報(bào)信號(hào)。（圖片來(lái)源：ASO Safety Solutions） 安全在于細(xì)節(jié) 保證安全沒(méi)有單一的方法。每種協(xié)作應(yīng)用都有所相同，需要根據(jù)其獨(dú)有的特性和需求進(jìn)行處理。一個(gè)關(guān)鍵因素是：應(yīng)用在協(xié)作的連續(xù)系統(tǒng)中處于什么位置（見(jiàn)圖 1）？協(xié)作機(jī)器人與人的交互越密切，需要的安全防護(hù)也就越多。 還有更多細(xì)節(jié)需要考慮。其中包括： · 每個(gè)位置都需要進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以確定協(xié)作機(jī)器人是否已從一個(gè)工作站移至另一個(gè)工作站。即使看似相同，微小的差異也會(huì)影響安全。 · 如果協(xié)作工作空間中有其他機(jī)器，是否需要將它們與協(xié)作機(jī)器人的關(guān)閉系統(tǒng)或安全減速系統(tǒng)相連？ · 本文重點(diǎn)關(guān)注安全相關(guān)的硬件，但對(duì)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(jī)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(jī)器人安全性非常復(fù)雜。首先要確定安全防護(hù)空間內(nèi)的協(xié)作工作空間，然后還要對(duì)協(xié)作操作進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。ISO/TS 15066 和 ISO 10218 系列等標(biāo)準(zhǔn)非常重要，它們提供了建議和指導(dǎo)。協(xié)作機(jī)器人必須具備基本的安全功能，如碰撞檢測(cè)系統(tǒng)、力反饋、彈性執(zhí)行器和低慣性伺服電機(jī)。根據(jù)協(xié)作應(yīng)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。 |
