协作机器人的安全与控制

机器人技术正在以光速发展，而标准进程正在努力跟上。新型协作机器人可以安全地实施:进行风险评估，与有经验的供应商合作，并参与标准制定。

通过Tanya M. Anandan 2013年8月7日

人类协作机器人正在扩大自动化的可能性，消除旧的障碍。这些脱离笼子的机器人更容易实现，也更容易使用。他们正在使中小型企业更容易获得自动化，并允许各种规模的制造商在自动化各种任务方面具有更大的灵活性。这些优势带来了新的担忧。最重要的是他们人类同事的安全。

新的安全标准提出了更多的问题

今年5月，机器人工业协会(RIA)宣布了由美国国家标准协会(ANSI)批准的最新机器人安全标准。新的ANSI/RIA R15.06-2012标准是对1999年版的更新，现在与国际ISO 10218:2011机器人安全标准一致。全球统一标准的关键更新之一涉及人类和机器人的协作。

该标准确定了协作机器人操作的四个要求，允许人类在没有安全防护罩的情况下接近正在操作的机器人。协作场景中的机器人必须满足至少一个标准才能达到标准:

安全等级监测停机
手的指导
速度和分离监测
权力和力量限制。

一个国际委员会起草了ISO技术规范(TS) 15066，为协作操作使用新标准提供指导。该主题仍处于技术开发阶段，在将其视为ISO 10218安全标准的修订之前，需要达成行业共识。

RIA标准开发主任帕特·戴维森说:“国际组织正在努力确定我们可以在标准中加入什么样的有限限制，以帮助为机器人制造商和最终用户提供指导。”“目前，该标准规定需要制定功率和力量限制，但它没有规定什么是允许的功率和什么是允许的力量。”

ISO TS 15066还将提供关于速度和分离监测的指导，包括确定最小分离距离和建立最大安全速度。该规范预计将在2014年采用。

与此同时，在没有具体指导方针的情况下，这些新的协作技术的用户应该如何确保安全实施呢?OSHA在人与机器人合作方面的立场是什么?

“机器人安全属于职业安全与健康管理局的一般责任条款，该条款规定雇主必须提供一个安全的工作环境，”戴维森说。“OSHA并没有专门针对人类和机器人的合作。相反，OSHA引用行业标准，如RIA标准。”

风险评估有助于保护协作工作空间

戴维森指出了识别和彻底分析实施任何新的机器人应用程序所涉及的风险的重要性。

“该标准要求对每个新的机器人应用进行风险评估。风险评估着眼于在其生命周期内与该应用程序相关的所有任务。它评估与这些任务相关的所有潜在危险，并确定减轻这些危险的方法，要么通过重新配置系统以消除危险，要么增加保护或其他机制来减少危险暴露。”

Gil Dominguez, PE, CMSE，是Pilz Automation safety L.P.在密歇根州坎顿的安全顾问。他是Davison的R15.06工业机器人安全小组委员会成员，也参与了TS 15066的国际委员会工作。

Dominguez说，机器人制造商正在使用TS 15066作为初始协作机器人设计的指导方针，即使是在初步阶段，最终用户正在按照规范草案中的建议实施系统。他对协作机器人系统进行了风险评估，并强调了彻底评估这些场景中潜在危险的重要性。

多明格斯说:“因为你使用机器人的方式与我们过去所做的完全不同，所以对与机器人相邻工作的人的危害和暴露进行详细的风险评估变得更加重要。”“考虑到人体的复杂性，必须更精确地分析可能发生的相互作用和暴露。”

多明格斯和戴维森承认，这项技术领先于标准，为机器人制造商、集成商和最终用户提供具体的指导方针仍然需要做很多工作。归根结底，提供安全工作环境的责任在于最终用户。

它有助于理解协作操作的不同模式和引领潮流的机器人技术。

内部技术

四种协同运作模式中的每一种都以不同的方式保护用户，”多明格斯说。“在安全等级监测停止中，当人类在协作工作空间中时，你可以通过阻止机器人移动来保护人类。在手动引导中，只有当机器人的运动处于操作员的控制之下时，你才允许机器人移动，这是在保护人类。”

多明格斯解释说:“在速度和距离方面，你可以通过监控人与机器人的关系来保护人，如果人靠得太近，就会减速并最终停止机器人，最终甚至改变机器人的路径。”“我们在协作机器人领域面临的最大挑战是开发能够实时监控人和机器人的控制系统，以确保在高度完整性的情况下，不会发生可能造成伤害的碰撞。”

“在功率和力限制方面，你必须确保如果有人接触到机器人，施加在他们身上的力足够小，以至于可能发生的任何伤害都被认为是轻微的。但一个人身体的不同部位比其他部位更敏感。”

这就是标准编写者面临的困境。到底多少功率和力量才算太多?一些机器人制造商并没有坐等答案。

百特系列弹性执行器

Rethink Robotics公司的百特(Baxter) 2012年9月在美国上市后受到了广泛关注。Baxter是一个万能的车间任务者，它的设计是利用常识和与人类同事一起安全工作，而不需要昂贵的编程。百特被吹捧为“天生安全”。

赋予百特安全性能的专利技术诞生于麻省理工学院的实验室。波士顿Rethink技术开发总监马修•威廉姆森(Matthew Williamson)表示:“我当时在麻省理工学院(MIT)攻读硕士学位，师从吉尔•普拉特教授。”“在我们两人的合作下，我们发明了串联弹性驱动器(SEA)。”

威廉姆森说，他最终在Rethink创始人兼首席技术官罗德尼·布鲁克斯(Rodney Brooks)的指导下完成了博士学位，布鲁克斯当时是麻省理工学院的教授。“Rod在他的研究机器人手臂中使用了SEAs，包括我在论文中使用的那些。”

“正是系列弹性驱动器使Baxter具有内在的安全性，”Williamson说。“它们使机器人变得顺从，而不是僵硬。这就像被弹簧击中和被刚性物体击中的区别。”

SEA由一个马达、一个变速箱和一个弹簧组成。威廉姆森描述了该机构如何感知和限制力。SEA的工作方式是通过测量弹簧的捻度来控制力的输出，测量弹簧的捻度就可以得到一个力传感器。”

威廉姆森解释说:“作为主要的致动器技术，电动机在位置控制方面非常出色，但在力控制方面却不太好。”“弹簧是将位置转换为力的好方法，因为胡克定律，力= kx。力控制是一个有利的功能，有利于在非结构化环境中工作，这是我们与百特合作的目标。”

威廉姆森补充说:“在弹簧设计、电机和变速箱的选择等方面，需要进行大量的工程设计才能做到这一点。”“在Rethink的案例中，挑战一直是将其定价在一个可承受的价位上。”截至7月底，百特起价2.2万美元，包括内置声纳和摄像头传感器，用于在人类进入机器人空间时探测人类，以及用于物体探测的集成视觉。

威廉姆森说:“我们的机器人重量轻(75公斤)，功耗低，因此系统的能量降低了。”“但最重要的是，力传感使我们能够进行力和位置控制，这使我们能够控制机器人的速度，以确保它不会伤害任何人。我们还有检测和应对碰撞的系统，以确保机器人不会夹住、压缩或压碎人。”

Baxter灵活的后向驱动关节中的sea使他能够在新的安全标准下实现功率和力限制协同操作。

环球公司的扭矩传感器，复杂的软件

万能机器人UR系列采用轻量化设计，轻至18公斤，专利传感器技术有助于其功率和力限制操作。

“我们监测电机的电流以及编码器的位置，所以我们在每个关节都有多余的编码器。通过观察电流和位置，我们能够获得力，”位于纽约州斯托尼布鲁克的万能机器人美国公司的全国销售经理爱德华·马伦说，“这也使我们的价格更低(34000美元)，因为我们没有在每个关节上都安装昂贵的传感器。”

“机器人知道需要多大的力来抬起并移动负载。当它识别到运动所需的扭矩或力的增加时，例如在碰撞中，机器人手臂会安全停止而不会造成伤害，”穆伦说。UR的控制系统是冗余的，因此任何危险的故障都会迫使机器人在安全状态下故障。

Universal的UR系列和Rethink的Baxter通过功率和力的限制来实现协同操作，而传统机器人制造商则通过满足其他标准来实现。

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Motoman基于控制的协同操作

Yaskawa Motoman的双臂SDA机器人和单臂SIA模型使用安全级监测停止。在某些情况下，他们还使用速度和分离监测。

与其他协作机器人不同，Motoman系统保持了传统工业机器人的速度和动力，其六位数的价格也反映了这种性能优势。Motoman机器人被设计为在大多数时间内自行工作，但可选的安全功能可以增加，以允许协作操作。

俄亥俄州迈阿密斯堡安川Motoman机器人公司的技术总监埃里克·尼夫斯说:“作为一家工业原始设备制造商，我们做出的决定是，当有人不在的时候，让机器人快速前进，当有人在场的时候，让它安全行事。”

Motoman可选功能安全单元的安全级监测停止组件位于机器人控制器中。当有人进入机器人的互动空间时，外部安全级别的激光传感器会监测，并向机器人手臂发出信号，让其减速和停止。

“我们在控制器中处理信号，改变操纵器的行为和速度，”Nieves说。“我们的机器人仍然是一个强大的单元，但我们通过控制来降低手臂的速度。我们必须确保安全操作，否则我们的机器人会把你撞到罐子上。”

在新安全标准发布的同一天，Nieves在一个辅助装配应用程序中演示了Motoman的单臂模型。“在这种情况下，我们有安全等级的传感器，可以识别我作为操作员的位置。当我进入机器人的空间时，功能安全单元会自动减慢机器人的速度。在这方面，我们有资格在速度和分离监测下进行协作。”

Nieves补充道:“安全级别的传感器有内置的故障安全装置。“这些信号被送到机器人控制器的两个不同的地方，然后这些信号由运行不同算法的独立硬件进行处理。这两个软件和硬件之间进行交叉检查。如果其中一个掉下来，系统就会进入安全状态。根据该标准获得第三方功能安全认证的机器人控制器必须证明该冗余水平。”

与安川类似，其他具有符合安全标准的传统机器人制造商，如库卡和ABB，都有硬件或软件，或两者兼而有之，使他们的机器人系统能够与人类同事协作运行。

协作机器人领域被各种各样的机器人所占据——从Baxter，类似人类的多用途任务者，到Motoman高速、高精度的工作机器，以及环球公司灵活的六轴臂，其性能规格介于两者之间。那么，这对终端用户和他们安全实施这种新型无围栏机器人意味着什么呢?

实现协作机器人

以Rethink的Baxter和Universal的UR系列机器人为例，它们几乎不需要集成(如果有的话)，用户有责任设置并将系统投入生产。

Universal的Mullen说:“大多数情况下，最终用户承担了全部责任，将其拆包、固定，并将其集成到他们自己的流程中。”“通常他们会绕过积分器任务。这给最终用户带来了压力，他们必须确保自己在风险评估方面尽职尽责。”

环球通过分销商销售机器人。位于明尼苏达州伊甸草原的布拉斯公司。，has been distributing UR robots since Feb 2013.

Braas总裁马特·加拉格尔(Matt Gallagher)说:“拥有自动化的人，也就是最终用户，有责任验证他们有一个安全的工作环境。”“这种新型机器人是存在的，但它并不是安全的万灵药。协作机器人周围可能会产生不安全的工作环境。”

加拉格尔说:“像抓握装置这样的东西可能被认为是危险的，或者可能是机器人与之交互的机器。”“机器人控制的机器门自动打开和关闭可能会造成不安全的情况。虽然这是一个协作机器人，但这并不意味着你不需要对工作环境进行评估。”

环球公司声称其80%的系统在没有传统安全外壳的情况下运行。加拉格尔说，这符合他的经验。“到目前为止，我们出售的所有万能机器人都是在没有警卫的情况下运行的。”

加拉格尔说:“万能机器人为我们提供了向以前可能没有购买过机器人的客户销售机器人的机会。”“安全只是驱动可访问性的一个组成部分，可能是较小的组成部分之一。UR的易用性使我们的客户更容易获得它，同时也最大限度地减少了对传统集成商渠道的需求。”

“我认为环球公司真正击中的是一款产品，它为通用应用和首次使用机器人的用户揭开了机器人的神秘面纱。该界面非常易于访问。任何使用过Windows环境并能够理解流程图类型结构的人都可以很快地使用机器人编程。如果这是一家经营规模较小的产品的商店，易用性允许他们在很短的时间内移动机器人，将其从一个生产区域分离出来，并将其安置在另一个区域。”

UR系列的应用包括材料处理，机器管理(注射成型和传统CNC)，以及装配应用。

Rethink的Baxter最适合平凡的、重复性的任务，这些任务不需要太多的技能或速度，或者类似的任务有不同的部分。“我们发现，无论是小公司还是大公司，他们的制造业都有这两个方面的部分，要么是包装和配套等低价值的东西，要么是不同的部分。所以你不会想把所有的精力都投入到构建环境和集成一个工业机器人上，只为了在三、四天之后重新做一遍。”

在宝洁的实验室里

较大的制造公司通常有前瞻性的实验室，在新技术投入使用之前对其进行测试。对于宝洁公司来说，这是标准做法。这家总部位于辛辛那提的个人护理和家用清洁产品跨国制造商，在将新机器人应用和技术引入更大的组织之前，会定期进行小规模测试。

位于俄亥俄州西切斯特市的宝洁贝克特里奇技术中心的机器人技术网络负责人Mark Lewandowski表示:“我们正在评估万能机械臂(10公斤有效载荷UR10)在我们的制造和研发环境中的潜在应用。”“我们现在正在测试许多应用程序，这些应用程序要么是高度手工操作，比如处理定制的物品包，要么是速度较慢、可重复移动的区域。”

莱万多夫斯基说:“我们正在与我们的安全人员一起评估该手臂的安全方面，并找出我们希望如何以安全的方式将其部署在制造环境中。”“我们内部有能力进行自己的风险评估。我们也在评估机器人的速度、可重复性、准确性和应用类型等方面的能力。”

Lewandowski是RIA董事会成员，并参与了R15.06安全小组委员会。他指出，有一些资源可以帮助协作机器人用户评估他们自己的安全做法。

“我们正在利用欧洲的ISO 10218标准，该标准也已被RIA作为新的15.06标准采用。我们还使用德国的BGIA(德国社会事故保险职业安全与健康研究所)文件。他们有一份白皮书，阐述了如何将风险评估应用于协作机器人。”莱万多夫斯基说，他们也参考了ISO TS 15066。

“到目前为止，机器人在安全性能、速度和准确性方面达到或超过了环球公司给我们的所有要求。我们希望应用类似Universal臂的东西的另一个原因是，对于人们来说，创建和开发应用程序非常容易，而不需要进行大量的编程。”

他补充说:“我有一个暑期实习生和一个机械工程师，他们没有接受过正式的机器人培训，就能创建应用程序和功能。”

“在宝洁，我们做了很多自动化工作。这只是工具箱中的另一个工具，它允许我们为那些我们今天没有好的解决方案的任务做我们所谓的负担得起的自动化。这是另一个让我们在许多市场保持竞争力的工具。”

跟上进度

机器人技术正在以光速发展，而标准进程却难以跟上。如前所述，尽管仍有许多变量需要解决，但仍有方法安全地实现这些新型的人类协作机器人。

戴维森说:“这给RIA带来了更大的压力，要求他们更快更频繁地完成工作。”在此期间，他提供了一些建议。“进行彻底的风险评估，与有经验的供应商合作，并参与标准制定过程。”

——Tanya M. Anandan是机器人工业协会和机器人在线的特约编辑。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程、而且设备工程，mhoske@cfemedia.com．

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