菲亞特在 70 年代后期推出全新 Strada 車型，其歌劇式電視廣告使大眾驚覺未來機(jī)器人將大量用于制造。 隨后的四十年中，機(jī)器人在各種各樣的工業(yè)場景中得到廣泛使用。 出于安全考慮，人們總是將機(jī)器人與人類分開，作為獨(dú)立實(shí)體作業(yè)，除非特殊情況，人不得與其接近。
現(xiàn)在機(jī)器人走出了這些局限。 受經(jīng)濟(jì)競爭因素的推動，現(xiàn)在制造企業(yè)正在工廠部署新型機(jī)器人。 此外，日常工具中使用智能技術(shù)已司空見慣，熟悉這些技術(shù)的工人已準(zhǔn)備好接受這個新興事物。
協(xié)作機(jī)器人或稱為“cobot”正在成為一種強(qiáng)大的新型工業(yè)工具。 這個術(shù)語包含了一個看法，即機(jī)器人和人類一起工作可以達(dá)到兩方面的最佳結(jié)果：機(jī)器人的裝配速度和可重復(fù)性與熟練人員的適應(yīng)能力相結(jié)合。
為了以合適的價格實(shí)現(xiàn)超高品質(zhì)期望，OEM 廠商加強(qiáng)自動化的壓力越來越大。機(jī)器人和人類在生產(chǎn)線上并肩作業(yè)可以消除不必要的變化，同時不失完成復(fù)雜裝配任務(wù)、個性化產(chǎn)品或處理異常事件所需的人工參與。 協(xié)作機(jī)器人還可以用于空間受限無法提供使用傳統(tǒng)機(jī)器人所需安全防護(hù)的工作場所，如在實(shí)驗(yàn)室為操作員提供點(diǎn)樣或裝載/卸載等操作的協(xié)助。
傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人通常被看作昂貴的定制系統(tǒng)，只有相對少量的有著大批量生產(chǎn)需求的大型企業(yè)才能負(fù)擔(dān)得起。 與此相反，協(xié)作機(jī)器人是能夠負(fù)擔(dān)的通用可編程設(shè)備，可“示教”其執(zhí)行簡單的處理，例如裝配燈具。 而操作人員可以站一旁，執(zhí)行自動化難以操作的相關(guān)任務(wù)。
圖 1：可配接像夾持器之類工具的六關(guān)節(jié)協(xié)作機(jī)器人 （F&P Personal Robotics 圖片）
當(dāng)今市場上的協(xié)作機(jī)器人往往都是臂型機(jī)器人，在多個點(diǎn)鉸接在一起，以提供寬運(yùn)動范圍，如圖 1 所示的六關(guān)節(jié)機(jī)器人。 這類機(jī)器人通常最大作業(yè)范圍從約 300 毫米到大型系統(tǒng)的 1.5-1.8 米，最大有效載荷從 2-3 千克到 10-15 千克左右。 然而，ABB 的雙臂 YuMi?（圖 2）更接近人類外觀。
圖 2：YuMi 是一種輕型桌面協(xié)作機(jī)器人（出于安全考慮手臂帶有軟墊）。
隨著協(xié)作機(jī)器人在工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，使用場景也正不斷延伸。 從直接執(zhí)行單一的簡單工藝到與人類大量互動來協(xié)作完成一組復(fù)雜任務(wù)。
安全要求和標(biāo)準(zhǔn)
從長期來看，工作場所成功整合協(xié)作機(jī)器人的關(guān)鍵就取決于安全。 歸類為安全的機(jī)器人在無人看守的操作中對人類造成的任何身體不適可能給機(jī)器人所有者或供應(yīng)者帶來財務(wù)責(zé)任，并會損害對協(xié)作機(jī)器人概念的信心。
協(xié)同機(jī)器人適用的主要國際安全標(biāo)準(zhǔn)有 ISO 10218-2011 第一和第二部分（分別涵蓋機(jī)器人和機(jī)器人系統(tǒng)和集成）以及技術(shù)規(guī)范 ISO/TS 15066。 ISO/TS 15066 提供了有關(guān)如何應(yīng)用 ISO 10218 標(biāo)準(zhǔn)的指南，如評估風(fēng)險和確定適當(dāng)?shù)牧退俣葮O限。
ISO 10218-1 將協(xié)同操作定義為“專門設(shè)計的機(jī)器人在規(guī)定的工作空間與人類直接合作進(jìn)行作業(yè)的狀態(tài)”。 標(biāo)準(zhǔn)包括了協(xié)同作業(yè)的各種方式，例如通過窗口交換物品，或在一個共同的工作空間內(nèi)頻繁互動。 根據(jù) ISO 10218-1，協(xié)作機(jī)器人必須滿足至少四個標(biāo)準(zhǔn)之一以確保人身安全，如表 1 所示。
| ISO 10218-1 條款 | 安全特性 | 典型應(yīng)用 | 間隔距離 | 主要風(fēng)險降低措施 |
| 5.10.2 | 安全級監(jiān)控停止 | 裝載/卸載 | 小/零 | 有人時無動作 |
| 5.10.3 | 手動引導(dǎo) | 裝配、填充 | 小/零 | 直接操作員輸入指令時才執(zhí)行動作 |
| 5.10.4 | 速度和間距監(jiān)控 | 處理、檢查 | 安全級監(jiān)控速度/距離 | 防止接觸 |
| 5.10.5 | 功率和力大小限制 | 協(xié)作裝配、裝載 | 小/零 | 防止力過大的固有設(shè)計或控制 |
表 1。 協(xié)作機(jī)器人必須至少滿足一個 ISO 10218-1 安全條款。
安全檢測
要實(shí)現(xiàn)符合安全要求的停止、速度和間距監(jiān)控及力度限制等功能需要各種傳感器來。
檢測機(jī)器人附近有無人體等大型物體存在的方式有很多。 電容式傳感器如 Omron E2KQ 感測范圍為數(shù)毫米，可插入 13 毫米直徑的孔中。 而光學(xué)傳感器如 Panasonic RX-LS200 檢測范圍更廣，可達(dá) 200 毫米，響應(yīng)時間小于 1 毫秒， 它安裝在 45 mm x 35 mm x 14 mm 的壓鑄鋅合金外殼中。
如果采用間隔距離檢測來調(diào)整機(jī)器人速度，則可能適合使用飛行時間傳感器，如 STMicroelectronics VL6180X。 通過測量 IR 信號從內(nèi)置傳感器發(fā)出，經(jīng)過反射到被其接收所需的時間來高速計算到物體的距離。 VL6180X 的范圍高達(dá)數(shù)厘米，且精度不受檢測物體的反射率影響。 傳感器可通過 I2C 連接到微控制器，并配備了一個應(yīng)用程序接口 (API)，由方便主機(jī)應(yīng)用程序控制的一組 C 函數(shù)組成。
功率和力度限制用于防止機(jī)器人施加的力不足以傷害機(jī)器人動作范圍內(nèi)的人。 需要進(jìn)行風(fēng)險評估來確定適當(dāng)?shù)南拗疲喝绻麢C(jī)器人持有尖銳物體，則需要設(shè)定極低的力度限值以防因接觸造成傷害。
協(xié)作機(jī)器人的固有安全特性通常包括：柔軟、平滑的外殼和能夠在撞擊時有效分散沖擊力的圓角處理。 圖 1 所示的機(jī)器人配備軟罩，具有合成皮革的皮膚。 這不僅保護(hù)人類員工，也防止重要機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制模塊損壞。
雖然軟罩可以減輕傷害，仍需要力感測以激活緊急停止，并且這將成為協(xié)作機(jī)器人安全控制系統(tǒng)的一個重要方面。 測量力的方法有多種，例如通過檢測轉(zhuǎn)子位置和電流來檢測馬達(dá)扭矩是否過高。 如果馬達(dá)遇到障礙物，電流會增加到預(yù)定閾值以上，進(jìn)而觸發(fā)系統(tǒng)關(guān)閉馬達(dá)。 這種方法只需要最少的附加組件，因?yàn)檗D(zhuǎn)子位置傳感器和電流傳感電阻器通常是馬達(dá)控制系統(tǒng)的一部分。 另一方面，可能需要在系統(tǒng)中使用軟件或邏輯，以區(qū)分處理常規(guī)載荷引起的正常馬達(dá)扭矩變化與因協(xié)作人員造成阻礙造成的扭矩增加。
或者可以直接使用嵌入機(jī)器人各部分（如夾爪）中的一個或多個傳感器來測量力。Honeywell 的 FSS 系列表面貼裝力傳感器，包括檢測范圍為 0-1.5 kgf 的 FSS1500NGT，帶有壓阻微加工硅傳感元件。 要檢測的力施加到該元件時，會導(dǎo)致傳感元件中的電阻變化。 這些傳感器擁有高機(jī)械穩(wěn)定性和對安裝應(yīng)力的低敏感性。 根據(jù)作用力的大小，電比率輸出可產(chǎn)生高達(dá) 360 mV 的電壓。 像 FSS1500NGT 這樣的傳感器已廣泛用于控制機(jī)器人的末端操縱裝置。
結(jié)論
在整個工業(yè)領(lǐng)域，協(xié)作機(jī)器人的運(yùn)用越來越廣泛，因?yàn)樗梢越档瓦\(yùn)營成本、提升品質(zhì)和生產(chǎn)率，特別是對制造商來說，經(jīng)濟(jì)意義尤為明顯。 目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)制定了多個安全標(biāo)準(zhǔn)，并提供評估風(fēng)險的指導(dǎo)原則，幫助廠家確定切實(shí)可行的像速度和力大小這樣的安全限值。 確保人身安全將是業(yè)內(nèi)對協(xié)作機(jī)器人概念確立信心的關(guān)鍵。
