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來(lái)源：DigiKey 作者：Jeff Shepard 協(xié)作機器人 (Cobot) 設計用于與人類(lèi)協(xié)同工作，并為工業(yè) 4.0 工廠(chǎng)中的靈活生產(chǎn)提供支持。與傳統工業(yè)機器人相比，協(xié)作機器人更簡(jiǎn)單、更易設置，而且不需要安全隔離的工作空間。由于協(xié)作機器人設計用于與人類(lèi)協(xié)同工作，因此其構造與其他工業(yè)機器人不同，包括碰撞檢測系統、力反饋、彈性執行器和低慣性伺服電機等功能。 協(xié)作機器人在設計上有所不同，因此有專(zhuān)門(mén)的安全標準。國際標準化組織技術(shù)規范 (ISO/TS) 15066 規定了工業(yè)協(xié)作機器人及其工作環(huán)境的安全要求。該規范補充了 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 中有關(guān)協(xié)作機器人操作的要求和指導。 本文簡(jiǎn)要回顧了 ISO/TS 15066 的要求，以及這些要求如何與 ISO 10218-1 和 10218-2 相互補充。然后介紹了協(xié)作的復雜性，其中包括如何定義協(xié)作工作空間。還探討了與機器人安全相關(guān)的各種因素，例如協(xié)作機器人內置的安全功能、需要哪些外部安全功能，以及接近傳感器、光幕和安全接觸墊等典型設備。最后，簡(jiǎn)要回顧了與協(xié)作機器人安全有關(guān)的一些特定應用。 工業(yè)機器人和協(xié)作機器人有多項重要安全標準。ISO/TS 15066 詳細規定了工業(yè)協(xié)作機器人系統和工作環(huán)境的安全要求，是對 ISO 10218 系列等舊標準中的有限要求的補充和完善。ISO 10218-1 側重于通用機器人和機器人設備，而 ISO 10218-2 則側重于機器人系統和集成。美國國家標準學(xué)會(huì )/機器人工業(yè)協(xié)會(huì ) (ANSI/RIA) R15.06 是 ISO 10218-1 和 ISO 10218-2 的國家級版本。 協(xié)作的復雜性 在詳細了解協(xié)作機器人的安全性之前，對協(xié)作進(jìn)行定義會(huì )有所幫助。機器人協(xié)作非常復雜，包括三個(gè)要素： · 協(xié)作機器人，根據 ANSI/RIA R15.06，協(xié)作機器人是一種“設計用于在確定的協(xié)作工作空間內與人直接交互的機器人”。 · 協(xié)作操作，根據 ISO/TS 15066，協(xié)作操作是指“專(zhuān)門(mén)設計的機器人系統與操作員在協(xié)作工作空間中工作的狀態(tài)”。 · 最后是協(xié)作工作空間，根據 ANSI/RIA R15.06，協(xié)作工作空間是指“安全防護空間內機器人與人可在生產(chǎn)活動(dòng)中同時(shí)執行任務(wù)的工作空間”。 這就涉及到“安全防護空間內”的協(xié)作工作空間的定義問(wèn)題。除了協(xié)作機器人中包括的標準安全功能外，安全防護空間還設有一層額外的安全防護。 集成到協(xié)作機器人中的常見(jiàn)保護功能包括基于每個(gè)關(guān)節處的扭矩測量值的接觸檢測系統，該系統可監測意外沖擊、障礙物或過(guò)大的力或扭矩。為了能夠在斷電狀態(tài)下移動(dòng)機械臂，還應該有自動(dòng)制動(dòng)系統和手動(dòng)制動(dòng)釋放裝置。 協(xié)作機器人與人的意外接觸尤其令人擔憂(yōu)。標準規定，應防止機器人接觸人頭部的任何地方。此外，標準還將人體分成 29 個(gè)特定區域，并詳細說(shuō)明了以下兩種接觸方式的限制： · 瞬時(shí)接觸，指協(xié)作機器人撞到人的動(dòng)態(tài)移動(dòng)事件。限制基于位置、慣性和相對速度。 · 準靜態(tài)接觸，在身體部位卡在協(xié)作機器人和某個(gè)表面之間時(shí)發(fā)生。限制基于與擠壓和夾緊效應相關(guān)的壓力和力。 該規范提供的是基于應用方面考慮的指導方針，而不是絕對限制。規范還指出，指導方針是為了提供信息，只反映了當前的最佳實(shí)踐，因為人與機器人之間的協(xié)作是一個(gè)新領(lǐng)域，還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。 協(xié)作的連續性 沒(méi)有單一的協(xié)作應用。人和機器人可以通過(guò)一種連續的方式進(jìn)行交互和協(xié)作。協(xié)作應用的范圍很廣，涉及共存（當人進(jìn)入協(xié)作工作空間時(shí)，機器人停止工作）和交互活動(dòng)（人接觸正在工作的協(xié)作機器人）（圖 1）。 
圖 1：人機協(xié)作包括多種交互等級。（圖片來(lái)源：SICK） 為了確定個(gè)別協(xié)作應用的安全需求，需要進(jìn)行風(fēng)險評估。風(fēng)險評估包括識別、評估和減輕與應用相關(guān)的危害和風(fēng)險。ISO 10218 列出了在各種情況下適用的一系列安全功能，但沒(méi)有明確的要求。ISO/TS 15066 提供了與協(xié)作機器人風(fēng)險評估相關(guān)的更多細節。在每種情況下，風(fēng)險評估的目標都是為了確定確保協(xié)作應用安全實(shí)現所需的外部安全裝置和系統。 如需深入了解風(fēng)險評估和機器人，請參閱文章“安全高效地將 AMR 集成到工業(yè) 4.0 設施中以實(shí)現最大效益”。 保護和效率 雖然協(xié)作機器人是為了安全操作而設計，但額外的保護層可以提高協(xié)作應用的效率。在沒(méi)有額外安全措施的情況下，當人進(jìn)入協(xié)作工作空間時(shí)，ISO/TS 15066 規定每個(gè)軸的最大速度為 0.25 m/s。對于大部分協(xié)作機器人而言，這個(gè)速度非常慢。 例如，Schneider Electric 的 LXMRL12S0000 Lexium 協(xié)作機器人的最大有效載荷為 12 kg，工作半徑（工作范圍）為 1327 mm，定位精度為 ±0.03 mm，工具端的最大速度為 3 m/s，是 ISO/TS 15066 規定的人處于協(xié)作工作空間時(shí)的最大允許速度的 12 倍（圖 2）。
圖 2：這款協(xié)作機器人的速度是 ISO/TS 15066 規定的人處于協(xié)作工作空間時(shí)的最大允許速度的 12 倍。（圖片來(lái)源：Schneider Electric） 在許多應用中，協(xié)作機器人可能會(huì )長(cháng)時(shí)間單獨工作。因此，如果能感測協(xié)作工作空間中是否有人，就可以在無(wú)人時(shí)以更快的速度工作，提高效率。感測人員存在的常見(jiàn)裝置包括安全掃描儀、光幕和安全接觸地墊。每種裝置都有各自的優(yōu)勢，因此這些裝置經(jīng)常組合使用。 安全掃描儀 安全掃描儀用于監控指定區域，以檢測人員的存在。這些裝置可以確定人的距離，并在有效安全區之外設置各種警戒區。 Omron 的型號 OS32C-SP1-4M 是專(zhuān)為與協(xié)作機器人配合使用而設計的安全激光掃描儀的典型范例。其安全半徑可達 4 米，并且支持在長(cháng)達 15 米的范圍內設置多個(gè)警戒區。該掃描儀包括 70 套標準的安全區和警戒區組合，以支持復雜的協(xié)作工作空間。此外，最小物體分辨率可設置為 30、40、50 或 70 mm，響應時(shí)間范圍為 80 ms 至 680 ms，進(jìn)一步提高了應用靈活性（圖 3）。
圖 3：這款安全掃描儀的安全半徑可達 4 米，并且支持在長(cháng)達 15 米范圍內設置多個(gè)警戒區。（圖片來(lái)源：DigiKey） 光幕 光幕可檢測人的存在，并且還可設計用于檢測各種尺寸的物體，例如手指或手。與安全掃描儀不同，光幕不能測量距離。光幕會(huì )在線(xiàn)性發(fā)射器和接收器陣列之間發(fā)送一連串光束，當物體使一條或多條光束中斷時(shí)，就可以感應到。 如果按安全等級劃分，光幕主要有兩類(lèi)：2 類(lèi)和 4 類(lèi)。它們的外觀(guān)相似，但設計用于提供不同程度的安全性。4 類(lèi)可監控定義協(xié)作工作空間的安全防護空間。2 類(lèi)光幕專(zhuān)為低風(fēng)險應用而設計。 光幕提供周邊防護，并有多種分辨率可供選擇，如 14 mm（手指檢測）和 24 mm（手檢測）。Banner Engineering 的型號 SLC4P24-160P44 是一款 4 類(lèi)光幕套件，配備發(fā)射器和接收器陣列，分辨率為 24 mm，用于保護人和協(xié)作機器人等機器（圖 4）。發(fā)射器有一排同步調制紅外發(fā)光二極管。接收器有一排對應的同步光電探測器。發(fā)射器的射程為 2 米，光幕的安裝長(cháng)度為 160 mm 至 320 mm（以 80 mm 為增量）。
圖 4：這款 4 類(lèi)光幕的分辨率為 24 mm。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 安全激光掃描儀和光幕為提高協(xié)作工作空間的安全性提供了非接觸式手段。但是，它們難以用于光學(xué)條件苛刻的環(huán)境，例如具有強反射表面的區域，這些區域會(huì )產(chǎn)生不必要的光干擾，而且這些裝置可能會(huì )因油脂泄漏、灰塵過(guò)多或濕度過(guò)大而觸發(fā)。 為了減輕某些類(lèi)型的干擾，這些光學(xué)傳感器還會(huì )加入靈敏度調節功能。靈敏度調節功能可能會(huì )增加響應時(shí)間，并導致其他方面的性能下降。另一種解決方案是將安全接觸墊和光學(xué)傳感裝置結合使用。 安全接觸墊 安全接觸墊有兩塊導電板，中間由光柵化絕緣層隔開(kāi)，可單獨使用，也可與其他類(lèi)型的傳感器結合使用。如果有人踩到墊子，上面的導電板就會(huì )被壓下并接觸到下面的導電板，從而觸發(fā)警報信號（圖 5）。接觸墊的外部是一種聚氨酯材料，這種材料防滑、防水、防塵且防油。ASO Safety Solutions 的 SENTIR 接觸墊型號 1602-5533 最多可將 10 個(gè)接觸墊串聯(lián)到一個(gè)監控裝置上，最大覆蓋面積為 10 m2。
圖 5：有人踩在安全墊上時(shí)，其頂部和底部導電層接觸，觸發(fā)警報信號。（圖片來(lái)源：ASO Safety Solutions） 安全在于細節 保證安全沒(méi)有單一的方法。每種協(xié)作應用都有所相同，需要根據其獨有的特性和需求進(jìn)行處理。一個(gè)關(guān)鍵因素是：應用在協(xié)作的連續系統中處于什么位置（見(jiàn)圖 1）？協(xié)作機器人與人的交互越密切，需要的安全防護也就越多。 還有更多細節需要考慮。其中包括： · 每個(gè)位置都需要進(jìn)行詳細的風(fēng)險評估，以確定協(xié)作機器人是否已從一個(gè)工作站移至另一個(gè)工作站。即使看似相同，微小的差異也會(huì )影響安全。 · 如果協(xié)作工作空間中有其他機器，是否需要將它們與協(xié)作機器人的關(guān)閉系統或安全減速系統相連？ · 本文重點(diǎn)關(guān)注安全相關(guān)的硬件，但對于日益普遍的聯(lián)網(wǎng)系統，網(wǎng)絡(luò )安全是防止協(xié)作機器人操作或安全系統受到干擾的重要考慮因素。 總結 協(xié)作機器人安全性非常復雜。首先要確定安全防護空間內的協(xié)作工作空間，然后還要對協(xié)作操作進(jìn)行風(fēng)險評估。ISO/TS 15066 和 ISO 10218 系列等標準非常重要，它們提供了建議和指導。協(xié)作機器人必須具備基本的安全功能，如碰撞檢測系統、力反饋、彈性執行器和低慣性伺服電機。根據協(xié)作應用的具體情況，可能還需要額外的安全裝置，例如接近傳感器、光幕和安全接觸墊。 |
