协作机器人崛起，激发安全创新

菲亚特在 70 年代后期推出全新 Strada 车型，其歌剧式电视广告使大众惊觉未来机器人将大量用于制造。 随后的四十年中，机器人在各种各样的工业场景中得到广泛使用。 出于安全考虑，人们总是将机器人与人类分开，作为独立实体作业，除非特殊情况，人不得与其接近。

现在机器人走出了这些局限。 受经济竞争因素的推动，现在制造企业正在工厂部署新型机器人。 此外，日常工具中使用智能技术已司空见惯，熟悉这些技术的工人已准备好接受这个新兴事物。

协作机器人或称为“cobot”正在成为一种强大的新型工业工具。 这个术语包含了一个看法，即机器人和人类一起工作可以达到两方面的最佳结果：机器人的装配速度和可重复性与熟练人员的适应能力相结合。

为了以合适的价格实现超高品质期望，OEM 厂商加强自动化的压力越来越大。机器人和人类在生产线上并肩作业可以消除不必要的变化，同时不失完成复杂装配任务、个性化产品或处理异常事件所需的人工参与。 协作机器人还可以用于空间受限无法提供使用传统机器人所需安全防护的工作场所，如在实验室为操作员提供点样或装载/卸载等操作的协助。

传统工业机器人通常被看作昂贵的定制系统，只有相对少量的有着大批量生产需求的大型企业才能负担得起。 与此相反，协作机器人是能够负担的通用可编程设备，可“示教”其执行简单的处理，例如装配灯具。 而操作人员可以站一旁，执行自动化难以操作的相关任务。

图 1：可配接像夹持器之类工具的六关节协作机器人 （F&P Personal Robotics 图片）

当今市场上的协作机器人往往都是臂型机器人，在多个点铰接在一起，以提供宽运动范围，如图 1 所示的六关节机器人。 这类机器人通常最大作业范围从约 300 毫米到大型系统的 1.5-1.8 米，最大有效载荷从 2-3 千克到 10-15 千克左右。 然而，ABB 的双臂 YuMi®（图 2）更接近人类外观。

图 2：YuMi 是一种轻型桌面协作机器人（出于安全考虑手臂带有软垫）。

随着协作机器人在工业中得到越来越广泛的应用，使用场景也正不断延伸。 从直接执行单一的简单工艺到与人类大量互动来协作完成一组复杂任务。

安全要求和标准

从长期来看，工作场所成功整合协作机器人的关键就取决于安全。 归类为安全的机器人在无人看守的操作中对人类造成的任何身体不适可能给机器人所有者或供应者带来财务责任，并会损害对协作机器人概念的信心。

协同机器人适用的主要国际安全标准有 ISO 10218-2011 第一和第二部分（分别涵盖机器人和机器人系统和集成）以及技术规范 ISO/TS 15066。 ISO/TS 15066 提供了有关如何应用 ISO 10218 标准的指南，如评估风险和确定适当的力和速度极限。

ISO 10218-1 将协同操作定义为“专门设计的机器人在规定的工作空间与人类直接合作进行作业的状态”。 标准包括了协同作业的各种方式，例如通过窗口交换物品，或在一个共同的工作空间内频繁互动。 根据 ISO 10218-1，协作机器人必须满足至少四个标准之一以确保人身安全，如表 1 所示。

表 1。 协作机器人必须至少满足一个 ISO 10218-1 安全条款。

安全检测

要实现符合安全要求的停止、速度和间距监控及力度限制等功能需要各种传感器来。

检测机器人附近有无人体等大型物体存在的方式有很多。 电容式传感器如 Omron E2KQ 感测范围为数毫米，可插入 13 毫米直径的孔中。 而光学传感器如 Panasonic RX-LS200 检测范围更广，可达 200 毫米，响应时间小于 1 毫秒， 它安装在 45 mm x 35 mm x 14 mm 的压铸锌合金外壳中。

如果采用间隔距离检测来调整机器人速度，则可能适合使用飞行时间传感器，如 STMicroelectronics VL6180X。 通过测量 IR 信号从内置传感器发出，经过反射到被其接收所需的时间来高速计算到物体的距离。 VL6180X 的范围高达数厘米，且精度不受检测物体的反射率影响。 传感器可通过 I²C 连接到微控制器，并配备了一个应用程序接口 (API)，由方便主机应用程序控制的一组 C 函数组成。

功率和力度限制用于防止机器人施加的力不足以伤害机器人动作范围内的人。 需要进行风险评估来确定适当的限制：如果机器人持有尖锐物体，则需要设定极低的力度限值以防因接触造成伤害。

协作机器人的固有安全特性通常包括：柔软、平滑的外壳和能够在撞击时有效分散冲击力的圆角处理。 图 1 所示的机器人配备软罩，具有合成皮革的皮肤。 这不仅保护人类员工，也防止重要机器人机构和控制模块损坏。

虽然软罩可以减轻伤害，仍需要力感测以激活紧急停止，并且这将成为协作机器人安全控制系统的一个重要方面。 测量力的方法有多种，例如通过检测转子位置和电流来检测马达扭矩是否过高。 如果马达遇到障碍物，电流会增加到预定阈值以上，进而触发系统关闭马达。 这种方法只需要最少的附加组件，因为转子位置传感器和电流传感电阻器通常是马达控制系统的一部分。 另一方面，可能需要在系统中使用软件或逻辑，以区分处理常规载荷引起的正常马达扭矩变化与因协作人员造成阻碍造成的扭矩增加。

或者可以直接使用嵌入机器人各部分（如夹爪）中的一个或多个传感器来测量力。Honeywell 的 FSS 系列表面贴装力传感器，包括检测范围为 0-1.5 kgf 的 FSS1500NGT，带有压阻微加工硅传感元件。 要检测的力施加到该元件时，会导致传感元件中的电阻变化。 这些传感器拥有高机械稳定性和对安装应力的低敏感性。 根据作用力的大小，电比率输出可产生高达 360 mV 的电压。 像 FSS1500NGT 这样的传感器已广泛用于控制机器人的末端操纵装置。

结论

在整个工业领域，协作机器人的运用越来越广泛，因为它可以降低运营成本、提升品质和生产率，特别是对制造商来说，经济意义尤为明显。 目前业内已经制定了多个安全标准，并提供评估风险的指导原则，帮助厂家确定切实可行的像速度和力大小这样的安全限值。 确保人身安全将是业内对协作机器人概念确立信心的关键。