人機協(xié)作生產線

前言：上海陸甲自動化科技有限公司在傳統(tǒng)的工業(yè)機器人逐漸取代單調、重復性高、危險性強的工作之時，研發(fā)改造的智能協(xié)作機器人工作站也將會慢慢滲入各個工業(yè)領域，與人共同工作。

1、協(xié)作對象

由于現在的機器人無法獨立完成任務，必須安裝適當的末端工具，增加必要的外部輔助設施以構成機器人工作站才能正常工作。 因此當我們說協(xié)作時，并不是機器人（Robot）與人之間的協(xié)作，而是機器人系統(tǒng)（Robot System）與人之間的協(xié)作。

機器人系統(tǒng)（Robot System）的概念中包括：

工業(yè)機器人（Industrial Robot）；

末端執(zhí)行器/工具（End-effector(s)）；

其他用來支持機器人完成任務的傳感器、設備、機械設施以及外部軸等。

在任何一個有關機器人安全的規(guī)范中，對于風險評估（Risk Assessment）環(huán)節(jié)的描述，其對象都是機器人系統(tǒng)，這個要求對于協(xié)作機器人來講也是一樣的。例如，如果在協(xié)作機器人末端安裝一把用于切割，雖然機器人是相對安全的，但是所使用的工具非常危險，對于一個機器人系統(tǒng)來講，就很難符合人機協(xié)作的要求。

對整個機器人系統(tǒng)進行安全評估的工作大部分應由集成商來完成。

需要強調的是，協(xié)作機器人并不是無條件安全的，在使用之前必須要進行風險評估，以確定合適的防護措施，以UR（Universal Robot）為例，在經過符合規(guī)定的風險評估后，也只有約80%的情況下不需要使用額外的安全防護措施：Around 80% of the 6 axis UR robots worldwide operate with no safety guarding after initial risk assessment.

2、協(xié)作方式

當我們提起人機協(xié)作，首先想到的是UR、LBR iiwa、Sawyer這樣身材纖細、造型現代的輕型機器人，但實際上人機協(xié)作并不是協(xié)作機器人的，傳統(tǒng)機器人也可以執(zhí)行協(xié)作任務。

按照協(xié)作程度從低到高，提出了四種人機協(xié)作方式（Methods），分別是：

Safety-rated monitored stop（安全級監(jiān)控停止）

Hａnd guiding（手動引導）

Speed and separation monitoring（速度和距離監(jiān)控）

Power and force limiting（功率和力限制）

傳統(tǒng)機器人在配備合適的安全控制器/安全選項的情況下，可以實現1~3的協(xié)作功能。對于第4種，一般很難實現。

Safety-rated monitored stop （安全級監(jiān)控停止）

這是基礎的協(xié)作方式，即當人員進入協(xié)作區(qū)域時，機器人停止運動，并保證安全的靜止，以便操作人員執(zhí)行某些操作（例如往機器人上安裝需要加工的工件，更換機器人所用的工具等）；當人員離開協(xié)作區(qū)域，機器人可以自動恢復正常運行（Non-Collaboratively），見下圖：

看起來挺復雜，但實際上只需要注意上圖中的兩個紅色區(qū)域即可，即 當操作人員和機器人同時處于協(xié)作區(qū)域時，機器人必須保證靜止。

Hａnd guiding（手動引導）

手動引導是稍微進價一些的協(xié)作方式，類似于現在的拖動示教。在手動引導模式下，操作員通過一個手動操作的裝置（Hand-operated device）將運動指令傳送給機器人系統(tǒng)。在操縱員被允許進入協(xié)作區(qū)域并執(zhí)行手動引導任務之前，機器人應已經處于安全級的監(jiān)控停止狀態(tài)。操作員通過手動操縱安裝在機器人末端或者靠近機器人末端執(zhí)行器的引導裝置來控制機器人完成任務。

手動引導的操作流程如下：

機器人進入協(xié)作區(qū)域并觸發(fā)安全級的監(jiān)控停止，為手動引導做好準備——這之后操作員被允許進入協(xié)作區(qū)域；

當操作員開始使用手動引導裝置控制機器人時，安全監(jiān)控停止接觸，操作員開始引導機器人工作；

當操作員釋放手動引導裝置時，應觸發(fā)安全監(jiān)控停止；

當操作員離開協(xié)作區(qū)域時，機器人系統(tǒng)可以恢復到非協(xié)作模式。

如果操作員進入到協(xié)作區(qū)域時，機器人系統(tǒng)還沒有為手動引導做好準備，則應觸發(fā)一個保護停止（Protective Stop）。

Speed and separation monitoring（速度和距離監(jiān)控）

在這個模式下，允許機器人和人員同時出現在協(xié)作區(qū)域中，但是需要機器人與人員保持一個細微的安全距離。當二者之間的距離小于安全距離時，機器人立刻停止。人員離開后，機器人可以自動恢復運行，但仍然需要保持細微安全距離。如果機器人降低了移動速度，則安全保護距離也可相應地縮小。

速度和距離監(jiān)控適用于協(xié)作區(qū)域內全部的人員。如果保護措施的性能受協(xié)作空間內人數的限制，則應在使用說明中注明允許的人數上限是多少。當超過該數字時，應觸發(fā)保護停止（Protective Stop）。

當機器人系統(tǒng)中某個危險部件與任何人員之間的距離小于安全距離時，機器人系統(tǒng)應：

觸發(fā)保護停止；

觸發(fā)與機器人系統(tǒng)相連的安全級功能（例如關閉全部可能導致危險的工具）；

機器人可使用的降低違反安全距離風險的方法包括但不限于：

降低速度，然后可能會切換到安全的監(jiān)控停止狀態(tài)；

選擇一個不會違反安全距離的路徑，在保持速度和距離監(jiān)控功能激活的情況下繼續(xù)運動；

當實際的距離達到或者超過安全距離時，機器人可恢復到正常的運動狀態(tài)。

這種協(xié)作方式的實現依賴于外部的傳感或者探測手段，受限于成本/性能的限制，實際應用并不太多。

Power and force limiting（功率和力限制）

（iiwa可以檢測到外圍的碰撞或者擠壓，在裝配時不會由于人員的意外介入對人體造成傷害）

（在實驗中，具備靈性碰撞檢測功能的KUKA iiwa，在末端安裝了之后，可以在不刺傷人的情況下安全停止）

上面提到的三種協(xié)作方式從某種意義上說更像是一種被動手段（雖然嚴格意義上將并不是被動的），而真正讓協(xié)作機器人獲得快速發(fā)展的，是第四種更為本質、更為智能、更為安全的協(xié)作功能， 即對機器人本身所能輸出的能力和力進行限制，從根源上避免傷害事件的發(fā)生。

此外，上述三種方式并不允許人與機器人進行直接接觸（Physical Contact），而在該模式下，允許機器人系統(tǒng)（包括工件）與人體之間發(fā)生故意或者無意的物理接觸。

在該模式下，操作人員與機器人系統(tǒng)的接觸可能發(fā)生的情況如下：

有計劃的接觸，屬于整個應用的一部分。

意外的接觸情形，可能是沒有遵守操作步驟導致的，但是沒有技術故障（technical failure）。

模式失效導致發(fā)生接觸。

在運動的機器人部件和人體不同區(qū)域之間可能的接觸又可以分成兩種：

準靜態(tài)接觸（Quasi-Static Contact）：這種情況一般是指人體被機器人和其他部件夾在中間。此時，機器人系統(tǒng)會向被夾住的人體施加一個持續(xù)的力，直到該狀態(tài)被解除。

瞬態(tài)接觸（Transient Contact）：也被稱作動態(tài)沖擊（Dynamic Impact），指人體被機器人系統(tǒng)的移動部件所撞擊，且人體不會被機器人系統(tǒng)夾住或者困住，由此導致一個短時的實際接觸；瞬態(tài)接觸依賴于機器人慣性、人體慣性以及二者之間相對運動速度的組合。

（上圖中前者可看做瞬態(tài)接觸，后者可看做準靜態(tài)接觸）

對機器人所輸出的功率和力進行限制，可以保證人在機器旁邊安全的工作，同時不降低機器人的工作效率，不增加應用成本，這是當前主流協(xié)作機器人都（應）具備的重要功能。