工業機器人很危險 人機協作安全控制方案盤點

在最近的50年，工業機器人在全球制造業應用越來越廣泛。機器人密度成為評價一國制造業自動化水平的重要標準。面臨中國人口紅利拐點，中國工人在“機器換人”的政策之風下，也面臨著失業的風險。同時，由于機器人技術水平以及集成度的關系，從一條智能化的工業4.0生產線來看，人工工位依舊存在，人機協作成為工業4.0的主流技術。機器人是技術工人的助手，做重復性的“臟活、累活”，減輕技術工人的負擔，并保障與工人“安全互動”。

這么多年，人們一直在研究使用機器人的安全問題。美國更是提出處于協同工作模式下的機器人須滿足標準提出的四項要求之一：

■ 具有安全等級的受控制動；

■ 手控；

■ 速度和間距監控；

■ 限制功率和力。

國際委員會據此起草了ISO技術規范（TS）15066，作為在協同工作模式下使用此標準的指導。本文，我們就來盤點一下機器人集成方案中的工業安全控制方案。

盡管存在以上四個方面的要求，但從實際機器人集成方案來看，人機協作的安全控制方案無非兩種，一種是基于外部監控的外部控制系統方案，另一種則是基于機器人本體設計的內部控制系統方案。

一、區域監控方案：激光距離傳感器安全光幕

大部分情況下，人類與機器人協同工作時，都要在機器人或者其所在的環境中安裝激光距離傳感器等，用于監控機器人的整個工作區域。這種情況下，解決辦法是增加一個區域掃描或者光幕，可以監測到“快速操作區域”內是否有工人。

例如安川Motoman機器人，其功能安全選配單元上采用了具有安全等級的受控制動組件，后者位于機器人的控制器上。外部安全激光傳感器可以發現人員是否進入機器人作業區域，并通知機器人手臂減速或者停止。

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如：S4、SFA系列無盲區安全光幕，

具有固定、浮動屏蔽，二次觸發等功能

分辨率14mm、21mm、36mm

光軸間距7.5mm、15mm、30mm

保護高度：（光軸數-1）*光軸距

適用于保護長度為0-6000mm以內的保護區域。

二、輕量型設計方案：機器人本體輕量化

輕量型設計也是人機協作安全的一個可行方案，通過減輕機器人的機身重量，可以有效地降低其對人體的沖擊，從而保障人機協作的安全。

例如德國Bionic Robtics公司就開發了一款不配備安全傳感器也能與人協同工作的機器人——“BioRob LightweightRobot（BioRob）”。人類與BioRob協同工作不需要任何安全措施，主要是因為BioRob在研發時大幅減輕了機身重量，屬于輕量級機器人，即使是與人類并肩工作，它的碰撞到人類，人類也會減少它帶來的沖擊。

三、“本質安全”方案：彈性驅動系統

Rethink Robotics公司的Baxter在2012年9月份投入美國市場后受到了廣泛的關注。作為全用途車間作業機器人，Baxter的設計使其無需價格高昂的編程，就可以在常規狀態下安全地與工人協同作業。Baxter號稱“本質安全”。

相比于剛性驅動，彈性驅動更加符合安全要求，就像被彈簧彈中和被硬物擊中的差別一樣。

為Baxter贏得成功的專利技術誕生于麻省理工學院，核心技術為串聯彈性驅動器（SEA），SEA包括一臺電機、一個齒輪箱和一個彈簧。SEA的工作方式是通過測量彈簧的壓縮量來控制力的輸出，對于彈簧壓縮量的測量就是一個力傳感器。

四、力受限方案：運動控制系統

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對于力受限的協同機器人進行風險評估時，如果機器人調試到合理的力量和速度，潛在傷害的嚴重程度可以降低。

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例如Universal Robots公司的UR系列機器人，其重量只有18kg，其專利傳感器技術幫助其實現功率和力的限制功能。機器人知道使用多少力就足以提起負載并移動它，當它發現移動過程中所需的力矩或者力過高，例如在發生碰撞事故時，機器人手臂就會安全關斷不會造成傷害事故。

以上，就是工業機器人人機協作安全問題的幾個典型的解決方案，這幾個方案在機器人集成中并非獨立應用，而是互相滲透加持。而在未來，隨著人工智能的全面發展，未來工業機器人或將和智能機器人一樣，具有更加智能的安全防護功能，從而在生產過程中保障工人安全。

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