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协同作业机器人的安全性和控制

作者:Tanya M. Anandan2014.02.17阅读 10534

        人机共同作业机器人(Human collaborative robots)克服了曾经的弊端,扩展了自动化的适用领域。将这些无防护笼的机器人从护网中解放出来,让它们更加容易安装和使用。它们使自动化更加贴近小型和中型产品,生产厂商可以根据不同的产品尺寸灵活地选择自动化解决方案。这些优点同样也带来了新的思考,最先考虑的就是与其协同工作的人员的安全如何保障。
        新的安全标准
        2013年5月,美国机器人工业协会(RIA)宣布最新的机器人安全标准已经通过美国国家标准学会(ANSI)的认可。新ANSI/RIA R15.06-2012版本标准是1999版本标准的升级版,等同于国际ISO10218:2011机器人安全标准。其中一项对国际等同标准的重要升级覆盖了人员和机器人的协同工作情况。
        此标准为协同机器人作业提出了四项要求,确保人员可以靠近一台正在运行的无安全护网的机器人。处于协同工作模式下的机器人必须满足标准提出的四项要求之一:
        ■ 具有安全等级的受控制动;
        ■ 手控;
        ■ 速度和间距监控;
        ■ 限制功率和力。
        国际委员会起草了ISO技术规范(TS)15066,作为在协同工作模式下使用此标准的指导。具体内容仍在进行技术开发,开发完成之后需要征得业界的认可才能作为ISO10218安全标准的补充。
        “国际工作组正在研究确定需要在标准中引入哪些种类的限制值才能够为机器人生产厂商和最终用户同时提供指导,”RIA的标准开发总监Pat Davison说道:“目前,标准中仅仅提到需要对功率和力进行限制,但是并没有明确指出应该将功率和力限制在什么水平。”
        ISO TS 15066也提供了对速度和间隔距离进行监控的内容,包括定义最小间隔距离和最大安全速度。这些内容预计将会在2014年被采纳。届时,这些新型协同工作技术的用户必定需要特定条款来指导他们安全使用这些技术,而OSHA也需明确其对人机协同工作的立场。
        “OSHA的普通条款覆盖了机器人安全性CONTROL ENGINEERING China版权所有,条款提到作业人员需要提供安全的作业环境,”Davison说道:“OSHA并没有明确提出人和机器人协同工作的概念,OSHA采取了引用相关工业标准的方法,例如RIA标准。”
        风险评估,协同作业空间
        Davison指出在任何新型机器人应用的安装过程中,识别并全面分析风险是十分重要的。
        “标准要求对每一个新的机器人应用进行风险评估,且风险评估必须覆盖此应用的整个生命周期中将会执行的任务,风险评估需要对每一个任务的潜在风险进行评估,并找到抑制这些风险的方法。抑制的方法可以是重新配置系统以消除风险,或者是增加安全防护手段以及其他防护机制以降低暴露于危险中的可能。”
        Gil Dominguez是Pilz Automation Safety 公司的安全顾问。他和Davison同属工业机器人安全小组R15.06成员,同时也参加了TS 15066的国际委员会。
        Dominguez说道,虽然TS 15066尚处于准备阶段,但是机器人生产厂家却已经将其作为协同作业机器人初步设计的指导,而且最终用户在搭建系统的时候也开始采纳草案规范中的建议。他曾经进行过协同作业机器人系统的风险评估,他强调了对各种情况进行彻底的评估的重要性。
        “由于现在机器人的使用方法与我们过去非常不同,所以对危险源以及对工作于运动状态的机器人周围的人员进行细致的风险评估更为重要,”Dominguez说道:“考虑到人体结构的复杂性,对可能会发生的协同作业模式和风险情况必须更加精确地分析。”
        Dominguez和Davison认为目前的标准落后于这项技术的发展,要想为机器人制造商、集成商和最终用户提供更加明确的指导www.cechina.cn,还有很多工作需要完成。最终,确保能够实现安全地作业环境的任务落在了最终用户肩上。
        新标准能够帮助理解不同的协同作业模式和不同的机器人技术。
        相关技术
        “这四种协同作业模式都能够以不同的方法保护用户,”Dominguez说道:“具有安全等级的受控制动(Safety-rated monitored stop)模式下,当人员位于协同工作区域之内时,机器人将会停止移动以保障人员安全。手控模式下,只有通过操作员的控制,机器人才能够移动。”
        “速度和间距监控模式下,当人员靠近机器人,机器人的运行速度将会减慢,甚至当人员与机器人之间的距离过近时CONTROL ENGINEERING China版权所有,机器人将会完全停止运转,并最终选择其他的运行路径。”Dominguez解释道:“在实现协同工作机器人的安全性中所面临的最大挑战在于需要构建控制系统,对人员和机器人进行高完整性的实时监控,确保能够造成人员伤害的触碰不会发生。”
        “在受限功率和受限力模式下,如果人类的身体与机器人发生了切实的接触,那么必须确保接触力足够小,使接触力造成的伤害较小。但是人类的某些身体部位比其他部位更加敏感。”
        标准撰写人员时常感觉左右为难,到底多少大功率和力能够被定义为过高?某些机器人生产厂家已经等不及了。
        Baxter系列弹性执行器
        Rethink Robotics公司的Baxter在2012年9月份投入美国市场后受到了广泛的关注。作为全用途车间作业机器人,Baxter的设计使其无需价格高昂的编程CONTROL ENGINEERING China版权所有,就可以在常规状态下安全地与工人协同作业。Baxter号称“本质安全”。


塑料加工厂中的Baxter 机器人。图片来源:Rethink Robotics

        为Baxter赢得成功的专利技术诞生于麻省理工学院。“我当时正跟随Gill Pratt教授完成我的研究生毕业论文,”来自位于波士顿的Rethink公司的技术开发总监Matthew Williamson说道,“我们两人发明了串联弹性驱动器(SEA)。”
        Williamson说他当时在Rethink公司的建立者和首席技术官Rodney Brooks的指导下进行他的博士论文研究工作,Rodney Brooks当时还是MIT的教授。“Rodney将SEA应用到他的机器人手臂上,包括我在论文中使用的那套。”
        “就是因为有了串联弹性驱动器,Baxter才能称得上本质安全,”Williamson说道:“相比于刚性驱动,弹性驱动更加符合安全要求。就像被弹簧弹中和被硬物击中的差别一样。”
        SEA包括一台电机、一个齿轮箱和一个弹簧。Williamson描述了这种机制是如何感知并限制力的大小的。“SEA的工作方式是通过测量弹簧的压缩量来控制力的输出,对于弹簧压缩量的测量就是一个力传感器。”
        “作为主流执行器技术,电机非常善于完成位置控制,但是它们无法很好地完成力控制。”Williamson解释道:“根据胡克定律,弹簧能够将位置变化转化为力的变化。控制力的输出有助于机器人在工况复杂的环境中完成工作,这正是Baxter的目标。”
        “随后,我们采取了并不算复杂的工程手段来实现这种想法,包括弹簧的设计和电机及齿轮箱的选择等等。”Williamson补充道:“对于Rethink来说,挑战就是以用可以接受的成本实现它。”经过几个月的努力,Baxter以22000美金的价格开售,包括内置的用于判断检测人员是否进入机器人作业区域的声呐传感器和摄像头传感器,还有用于实现障碍物检测的集成视觉。
        “我们的机器人重量较轻(75kg),功耗也较低,所以整个系统的能耗可以控制在相当低的水平,”Williamson说道:“除此之外,力传感器让我们能够控制力的大小并完成位置控制,藉此,我们可以控制机器人的速度以确保它不会对任何人带来伤害。我们还配备了对碰撞进行检测和响应的系统,确保机器人不会夹伤、压伤和撞伤作业人员。”Baxter机器人的后驱SEA使其能够在满足最新安全标准的前提下同时完成功率和力的控制。
        Universal公司的力矩传感器和软件
        Universal Robots公司的UR系列机器人重量只有18kg,其专利传感器技术帮助其实现功率和力的限制功能。
        “我们监控电机的电流和编码器的位置,所以我们在每一个位置都配有冗余编码器。通过电流和位置数据,我们就能够推算出力。” Universal Robots美国公司的全国销售经理Edward Mullen说道。“这一设计也让我们能够控制价格在较低水平(34000美金),因为我们无需在每一个机器人关节位置配备昂贵的传感器。”


Universal 机器人正在进行厨房水槽涂胶的重复作业。图片来源:Universal Robots

        “机器人知道使用多少力就足以提起负载并移动它,当它发现移动过程中所需的力矩或者力过高,例如在发生碰撞事故时,机器人手臂就会安全关断不会造成伤害事故,”Mullen说道。UR系列机器人的控制系统有冗余设置,所以任何危险失效都会使机器人在安全状态下停机。Universal公司的UR系列机器人和Rethink公司的Baxter系列机器人通过控制功率和力来实现人机协同作业,而一些传统的机器人生产厂商采用其他手段来实现人机协同作业。
        Motoman系列基于控制的协同作业机器人
        Yaskawa公司的Motoman系列双臂SDA机器人和单臂SIA机器人采用了具有安全等级的受控制动。在某些情况下,它们也对速度和间隔距离进行监控。与其他协同作业机器人不同,Motoman系统的速度和功率与传统的工业机器人类似,其高达六位数的价格也确实与其高性能相匹配。Motoman机器人的设计主要针对独立作业场合,但是在选配了安全特性之后,也可以用于协同作业场合。


ANSI/RIA R15.06-2012 标准附件E 第111 页中描述了协同作业机器人的典型应用。资料来源:RIA

        “作为工业OEM厂商,我们的目标就是如果周围没有作业人员,那么机器人应该尽可能快速地运转,而当人员进入作业区时,则以安全作业模式工作。” Yaskawa Motoman Robotics公司的技术总监Erik Nieves说道。Motoman机器人的功能安全选配单元上采用了具有安全等级的受控制动组件,后者位于机器人的控制器上。外部安全激光传感器可以发现人员是否进入机器人作业区域,并通知机器人手臂减速或者停止。


Yaskawa公司双臂机器人样机的功能是完成辅助提升应用,双臂机器人每臂具有10kg的提升力,但是通过使用标准的提升辅助设备控制工程网版权所有,它能够移动并精确地定位重达80kg的机器人设备。图片来源:Yaskawa Motoman Robotics

        “控制器对信号进行处理,然后对执行器的行为和速度进行变更,”Nieves说道:“我们的机器人仍旧性能优异,我们只是控制了机器人手臂的运行速度。我们必须确保安全作业,否则机器人会造成人身伤害。”在新安全标准发布的当天,Nieves引用了一个辅助装配应用的例子证明了Motoman系列单臂机器人的安全性。“这个例子中,假设我是一个操作员,安全传感器用来确定我的位置,当我进入机器人的作业区域,功能安全单元就会自动降低机器人的速度,我们就是通过监控速度和间隔距离来实现人机协同作业的。”
        “安全传感器内置有失效安全功能,”Nieves补充道:“信号会发送给机器人控制器中的两个不同区域,在不同的硬件上采用不同的算法对这两个独立的信号分别进行处理,这两组软件和硬件会相互核对,如果任何一组软硬件给出的结果是触发,那么系统就会进入安全模式。机器人控制器通过了第三方认证,按照标准实现功能安全,用以确保冗余等级。”
        与Yaskawa公司类似,其他的机器人生产厂商的系统也能够满足安全标准,例如Kuka和ABB,通过硬件或者软件,抑或两者兼备的方式确保其系统能够实现人机协同作业。
        协同作业机器人领域竞争者颇多——从Baxter类人多用途机器人到Motoman高速高精度机器人,再到性能指标位于两者之间的Universal六轴机器手臂。
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