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协作机器人新时代:让机器人与人在一起安全工作

来源:控制工程网2017.10.28阅读 8108

  2008年,协作机器人还只是一种探索。到2012年,大多数时候,它还只是被视为时尚。但仅仅一年之后,工业领域已经开始注意到它了。现在www.cechina.cn协作机器人已经在制造业获得了立足之地。很多人说,它们代表着未来。
  “协作应用是下一个新的领域,它将真正推动业务和应用的发展,甚至可能扩展到那些未知的领域。”优傲机器人公司(Universal Robots)的全球技术合规负责人Roberta Nelson Shea说道。


尽管移动协作机器人的手臂,“教”它怎样完成任务是人机协作非常重要的一部分,但是它与协作运行方式之一的“手动引导”并不是一回事。本文图片来源:RIA


  一份来自ABI的市场研究报告预测,到2020年,协作机器人市场将飙升至10亿美元,将会有超过40,000台的合作机器人安装在生产制造生产线。随着应用数量的增加,对机器人安全性的关注也随之增加。
  协作机器人领域中最令人期待的技术规范之一“ISO/TS 15066:2016机器人和机器人设备-协作机器人”于2016年2月发布。ISO/TS 15066技术标准可以为机器人协作系统的设计者、集成商和用户在如何评估和减轻风险方面提供指导方针。
  ISO/TS 15066 描述了不同的人机协作概念和详细的要求。除了安全设计和风险评估的要求,它还展示了以下研究成果,即机器人速度、压力对人体特定部位冲击所造成的伤害临界值。
  作为ISO 299技术委员会第三工作组召集人(ISO/TC 299 WG3),Nelson Shea负责开发新的技术规范。自1982年召开第一次委员会会议以来,Nelson Shea一直在参与机器人安全标准工作。她说关于协作机器人的最初设想受到了强烈的质疑。“以前,安全的前提是让人远离机器人。但如果我们换一种方式思考:如果机器人及其工具和部件在与人接触时并不会让人受伤,那么为什么不让它接触呢?”


工厂车间增加协作机器人的目的,是为了提高生产力和灵活性,同时为人类创造一个更安全的工作场所。


  考虑人的因素
  “传统上,自动化系统的设计,并没有考虑到人。但是,随着机器人变得更具流动性,与人互动的能力也逐步增强,传统的设计模式已经满足不了未来技术的发展需求。”GE全球研究自动化中心的Roland Menassa说道,“现在www.cechina.cn,我可以把具有协作能力的机器人部署在工厂车间,人们和它们可以并肩作战。”
  GE的全球研究自动化中心专注于4个主要领域:机器人、控制、材料处理以及与跟踪工厂底层数据流的系统集成。GE已经开始将工业物联网(IIoT)和自动化作为关键因素。
  “当我来到GE时,协作机器人开始进入市场,所以我在GE公司内,参观不同的工厂,以便对其进行评估。”Menassa说,“我们是小批量、大型工业产品的生产制造商,例如生产重达数千磅的燃气涡轮机;也生产大家都要使用的、中高型容量的产品,如照明装置和断路器等,在生产线上会有成百上千个SKU。
  “我们仍然需要焊接CONTROL ENGINEERING China版权所有,以及让机器人搬运重型设备和完成非常困难的操作过程,”Menassa说,“但是,回过头来看,在那些机器人已经进入领域的生产线上,仍然可以见到很多工人。这主要是由于柔性材料所带来的挑战。当我们制造断路器或照明设备时,电线和一些比较灵活的材料会比较难以处理。挑战是,如何在手动处理柔性部件的过程中,无缝接入自动化?”
  通过机器人或控制系统固有的安全特性,专门设计一些功率和力受限的机器人,从而可以实现与人的安全接触。这种类型的机器人通常由轻质材料组成,在关节上安装有力和扭矩传感,并可能有柔软的填充皮肤。


任何协作机器人安装的最低要求是进行风险评估。


  协作运行的4种方法
  在ANSI / RIA 15.06和ISO 10218 工业机器人安全标准和新的ISO/TS 15066标准下,协作运行有4种方法或类型:
  ●安全监控停止
  ●●手动引导
  ●速度和分离监控
  ●功率和力的限制
  这些往往是人类与机器人协作中最容易被误解的地方。为了避免混淆,Nelson Shea建议生产制造商将协作运行的4种方法看做是场景而不是不同的模式。
  在每一种情况下,机器人和人类操作员之间都有一个共享空间。在安全级系统监控的停止工况下www.cechina.cn,在与人类操作员共享的空间内,机器人根本不会移动。
  有一种常见的误解,认为用手引导就是教它如何操作。Nelson Shea说事实并非如此。“移动机器人手臂教导它完成某些任务,这并不是协作意义上的用手引导。当你这样做的时候CONTROL ENGINEERING China版权所有,它并不是自动运行的。”
  当用于描述协作运行时,用手引导指的是机器人和人占据共享空间的工况,而机器人只有在人的直接控制下才会移动。
  “在速度和分离监控的情况下,机器人和人都可以在该空间里移动,”Nelson Shea说,“但是如果机器人和人之间的距离太近,机器人就会停止,这和第一个场景(安全监控停止)非常相似。”。
  在功率和力受限的情况下,人与机器人之间可能有相互接触,但机器人的功率和力是受限的,因此,即使有任何影响,也不会对人类操作员发生任何伤害。”
  在一个机器人系统中,这4种协作运行方法可以相互组合,或者拥有全部4种协作运行模式。新的TS 15066标准包括计算保护距离和分离速度监测的计算公式。
  在技术规范中,最有趣的部分也许是它的附件,其中包含了如何建立人体各个部位疼痛阈值的指南,特别是对于功率和力受限的应用。然后可以推算数据,以确定协作应用程序的速度限制。
  “尽管之前的标准也有关于协作运作模式的信息,但新标准更吸引人的地方是功率和力受限的机器人。”Robotiq的首席技术官Jean Philippe Jobin说,他所在的公司生产协作机器人使用的自适应夹具。“现在www.cechina.cn,市面上有更多类型的机器人,但是除了ISO 10218之外,没有明确的指导文件来帮助人们安全的将那些机器人安装在工厂里。”


协作机器人在装配流水线上与人类安全地并肩工作。


  从风险评估开始
  Nelson Shea和Jobin都强调,任何协作机器人集成的最低要求是先进行风险评估。
  “风险评估是最重要的方面,”Jobin说。“如果您的应用程序需要比文档中提到的力或功率更高,这并不意味着它不安全。从这个技术规范中得到的数据与疼痛有关,而ISO 10218要求的是不会发生伤害。”
  “疼痛和受伤是有区别的,”他补充道,“用户可以进行测试,以证明即使它们比ISO 15066中的状态略高一点,但仍然安全,因为它们可以证明在特定情况下,机器人不会伤害到人。”
  Jobin表示,在进行风险评估时,非常重要的一点是要将关注重点放在应用方面,而不是机器人。
  他说:“如果你看一下文档,它很少提到机器人的字眼。它描述的是协作工作单元或协作应用程序。它涉及到电缆、夹具和机器人,以及工作单元内的所有部件。
  有一个普遍的误解:如果机器人是“本质安全”的,那这种操作就是安全的。例如,机器人在处理尖锐物体时,如果在边上有一个没有安全保护措施的人,那就不安全。另一种情况是,如果机器人正在处理重物,如果坠落或抛射出来,则可能会造成伤害。
  在考虑采用机器人的过程中,安全是一个主要因素www.cechina.cn,也是在新的协作机器人模式中提升工人信心的重要因素。
  “安全是我们的第一要务,”Menassa说。“任何应用程序关注的都不是机器人是否安全,而是‘任务是否安全?’所以我们做了基于风险分析的任务评估,遵守所有规则和所有RIA(美国机器人协会)标准。我们请RIA的人来培训,以便于更好地理解机器人在做什么、末端执行器的形状、有什么尖锐的东西吗?有什么东西会伤害到人吗?”
  “如果我们认为在机器人的力或扭矩限制能力之外,还需要其它方面的保护,那么我们将放置适当的安全装置,例如光幕或激光扫描仪,以缓解风险。”他补充说。
  ANSI注册的技术报告RIA TR R15.306-2016-基于任务的风险评估方法,介绍了一种符合2012 15.06标准要求的风险评估方法,该标准已于2016更新。
  “RIA发布了我们进行任务评估的方法。我们用这些方法来评估协作机器人项目是否有任何风险,及其风险的严重程度。”Menassa说。“然后,我们尝试通过修改工程设计,以减轻这种风险。” (作者:Tanya M. Anandan)

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