人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)線

前言：上海陸甲自動(dòng)化科技有限公司在傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人逐漸取代單調(diào)、重復(fù)性高、危險(xiǎn)性強(qiáng)的工作之時(shí)，研發(fā)改造的智能協(xié)作機(jī)器人工作站也將會(huì)慢慢滲入各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，與人共同工作。

1、協(xié)作對(duì)象

由于現(xiàn)在的機(jī)器人無法獨(dú)立完成任務(wù)，必須安裝適當(dāng)?shù)哪┒斯ぞ撸黾颖匾耐獠枯o助設(shè)施以構(gòu)成機(jī)器人工作站才能正常工作。 因此當(dāng)我們說協(xié)作時(shí)，并不是機(jī)器人（Robot）與人之間的協(xié)作，而是機(jī)器人系統(tǒng)（Robot System）與人之間的協(xié)作。

機(jī)器人系統(tǒng)（Robot System）的概念中包括：

工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot）；

末端執(zhí)行器/工具（End-effector(s)）；

其他用來支持機(jī)器人完成任務(wù)的傳感器、設(shè)備、機(jī)械設(shè)施以及外部軸等。

在任何一個(gè)有關(guān)機(jī)器人安全的規(guī)范中，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（Risk Assessment）環(huán)節(jié)的描述，其對(duì)象都是機(jī)器人系統(tǒng)，這個(gè)要求對(duì)于協(xié)作機(jī)器人來講也是一樣的。例如，如果在協(xié)作機(jī)器人末端安裝一把用于切割，雖然機(jī)器人是相對(duì)安全的，但是所使用的工具非常危險(xiǎn)，對(duì)于一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)來講，就很難符合人機(jī)協(xié)作的要求。

對(duì)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估的工作大部分應(yīng)由集成商來完成。

需要強(qiáng)調(diào)的是，協(xié)作機(jī)器人并不是無條件安全的，在使用之前必須要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以確定合適的防護(hù)措施，以UR（Universal Robot）為例，在經(jīng)過符合規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，也只有約80%的情況下不需要使用額外的安全防護(hù)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(dāng)我們提起人機(jī)協(xié)作，首先想到的是UR、LBR iiwa、Sawyer這樣身材纖細(xì)、造型現(xiàn)代的輕型機(jī)器人，但實(shí)際上人機(jī)協(xié)作并不是協(xié)作機(jī)器人的，傳統(tǒng)機(jī)器人也可以執(zhí)行協(xié)作任務(wù)。

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

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

Hａnd guiding（手動(dòng)引導(dǎo)）

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(jī)器人在配備合適的安全控制器/安全選項(xiàng)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)1~3的協(xié)作功能。對(duì)于第4種，一般很難實(shí)現(xiàn)。

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

這是基礎(chǔ)的協(xié)作方式，即當(dāng)人員進(jìn)入?yún)f(xié)作區(qū)域時(shí)，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，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(jī)器人上安裝需要加工的工件，更換機(jī)器人所用的工具等）；當(dāng)人員離開協(xié)作區(qū)域，機(jī)器人可以自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行（Non-Collaboratively），見下圖：

看起來挺復(fù)雜，但實(shí)際上只需要注意上圖中的兩個(gè)紅色區(qū)域即可，即 當(dāng)操作人員和機(jī)器人同時(shí)處于協(xié)作區(qū)域時(shí)，機(jī)器人必須保證靜止。

Hａnd guiding（手動(dòng)引導(dǎo)）

手動(dòng)引導(dǎo)是稍微進(jìn)價(jià)一些的協(xié)作方式，類似于現(xiàn)在的拖動(dòng)示教。在手動(dòng)引導(dǎo)模式下，操作員通過一個(gè)手動(dòng)操作的裝置（Hand-operated device）將運(yùn)動(dòng)指令傳送給機(jī)器人系統(tǒng)。在操縱員被允許進(jìn)入?yún)f(xié)作區(qū)域并執(zhí)行手動(dòng)引導(dǎo)任務(wù)之前，機(jī)器人應(yīng)已經(jīng)處于安全級(jí)的監(jiān)控停止?fàn)顟B(tài)。操作員通過手動(dòng)操縱安裝在機(jī)器人末端或者靠近機(jī)器人末端執(zhí)行器的引導(dǎo)裝置來控制機(jī)器人完成任務(wù)。

手動(dòng)引導(dǎo)的操作流程如下：

機(jī)器人進(jìn)入?yún)f(xié)作區(qū)域并觸發(fā)安全級(jí)的監(jiān)控停止，為手動(dòng)引導(dǎo)做好準(zhǔn)備——這之后操作員被允許進(jìn)入?yún)f(xié)作區(qū)域；

當(dāng)操作員開始使用手動(dòng)引導(dǎo)裝置控制機(jī)器人時(shí)，安全監(jiān)控停止接觸，操作員開始引導(dǎo)機(jī)器人工作；

當(dāng)操作員釋放手動(dòng)引導(dǎo)裝置時(shí)，應(yīng)觸發(fā)安全監(jiān)控停止；

當(dāng)操作員離開協(xié)作區(qū)域時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)可以恢復(fù)到非協(xié)作模式。

如果操作員進(jìn)入到協(xié)作區(qū)域時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)還沒有為手動(dòng)引導(dǎo)做好準(zhǔn)備，則應(yīng)觸發(fā)一個(gè)保護(hù)停止（Protective Stop）。

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

在這個(gè)模式下，允許機(jī)器人和人員同時(shí)出現(xiàn)在協(xié)作區(qū)域中，但是需要機(jī)器人與人員保持一個(gè)細(xì)微的安全距離。當(dāng)二者之間的距離小于安全距離時(shí)，機(jī)器人立刻停止。人員離開后，機(jī)器人可以自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，但仍然需要保持細(xì)微安全距離。如果機(jī)器人降低了移動(dòng)速度，則安全保護(hù)距離也可相應(yīng)地縮小。

速度和距離監(jiān)控適用于協(xié)作區(qū)域內(nèi)全部的人員。如果保護(hù)措施的性能受協(xié)作空間內(nèi)人數(shù)的限制，則應(yīng)在使用說明中注明允許的人數(shù)上限是多少。當(dāng)超過該數(shù)字時(shí)，應(yīng)觸發(fā)保護(hù)停止（Protective Stop）。

當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)中某個(gè)危險(xiǎn)部件與任何人員之間的距離小于安全距離時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)：

觸發(fā)保護(hù)停止；

觸發(fā)與機(jī)器人系統(tǒng)相連的安全級(jí)功能（例如關(guān)閉全部可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的工具）；

機(jī)器人可使用的降低違反安全距離風(fēng)險(xiǎn)的方法包括但不限于：

降低速度，然后可能會(huì)切換到安全的監(jiān)控停止?fàn)顟B(tài)；

選擇一個(gè)不會(huì)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(yùn)動(dòng)；

當(dāng)實(shí)際的距離達(dá)到或者超過安全距離時(shí)，機(jī)器人可恢復(fù)到正常的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

這種協(xié)作方式的實(shí)現(xiàn)依賴于外部的傳感或者探測(cè)手段，受限于成本/性能的限制，實(shí)際應(yīng)用并不太多。

Power and force limiting（功率和力限制）

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

（在實(shí)驗(yàn)中，具備靈性碰撞檢測(cè)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(dòng)手段（雖然嚴(yán)格意義上將并不是被動(dòng)的），而真正讓協(xié)作機(jī)器人獲得快速發(fā)展的，是第四種更為本質(zhì)、更為智能、更為安全的協(xié)作功能， 即對(duì)機(jī)器人本身所能輸出的能力和力進(jìn)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(jī)器人進(jìn)行直接接觸（Physical Contact），而在該模式下，允許機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)的接觸可能發(fā)生的情況如下：

有計(jì)劃的接觸，屬于整個(gè)應(yīng)用的一部分。

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

模式失效導(dǎo)致發(fā)生接觸。

在運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(zhǔn)靜態(tài)接觸（Quasi-Static Contact）：這種情況一般是指人體被機(jī)器人和其他部件夾在中間。此時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)向被夾住的人體施加一個(gè)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(dòng)態(tài)沖擊（Dynamic Impact），指人體被機(jī)器人系統(tǒng)的移動(dòng)部件所撞擊，且人體不會(huì)被機(jī)器人系統(tǒng)夾住或者困住，由此導(dǎo)致一個(gè)短時(shí)的實(shí)際接觸；瞬態(tài)接觸依賴于機(jī)器人慣性、人體慣性以及二者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的組合。

（上圖中前者可看做瞬態(tài)接觸，后者可看做準(zhǔn)靜態(tài)接觸）

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