工业机器人的人机协作安全控制4种方案

作者:日期:2017年10月26日 17:17

在近的几年中,工业机器人在全球制造业应用越来越广泛,尤其是在一些发展中国家的劳动密集型行业中,工业机器人应用的越来越广泛。机器人密度成为评价一国制造业自动化水平的重要标准。面临中国人口红利拐点,中国工人在“机器换人”的政策之风下,也面临着失业的风险。同时,由于机器人技术水平以及集成度的关系,从一条智能化的工业4.0生产线来看,人工工位依旧存在,人机协作成为工业4.0的主流技术。

在近的几年中,工业机器人在全球制造业应用越来越广泛,尤其是在一些发展中国家的劳动密集型行业中,工业机器人应用的越来越广泛。机器人密度成为评价一国制造业自动化水平的重要标准。面临中国人口红利拐点,中国工人在“机器换人”的政策之风下,也面临着失业的风险。同时,由于机器人技术水平以及集成度的关系,从一条智能化的工业4.0生产线来看,人工工位依旧存在,人机协作成为工业4.0的主流技术。机器人是技术工人的助手,做重复性的“脏活、累活”,减轻技术工人的负担,并确保与工人“安全互动”。

这么多年,人们一直在研究使用机器人的安全问题。美国更是提出处于协同工作模式下的机器人必须满足标准提出的四项要求之一:具有安全等级的受控制动;手控;速度和间距监控;限制功率和力。国际委员会据此起草了ISO技术规范(TS)15066,作为在协同工作模式下使用此标准的指导。本文,我们就来盘点一下机器人集成方案中的工业安全控制方案。尽管存在以上四个方面的要求,但从实际机器人集成方案来看,人机协作的安全控制方案无非两种,一种是基于外部监控的外部控制系统方案,另一种则是基于机器人本体设计的内部控制系统方案。

区域监控方案:激光距离传感器安全光幕,大部分情况下,人类与机器人协同工作时,都要在机器人或者其所在的环境中安装激光距离传感器等,用于监控机器人的整个工作区域。这种情况下,佳解决办法是增加一个区域扫描或者光幕,可以监测到“快速操作区域”内是否有工人。例如安川Motoman机器人,其功能安全选配单元上采用了具有安全等级的受控制动组件,后者位于机器人的控制器上。外部安全激光传感器可以发现人员是否进入机器人作业区域,并通知机器人手臂减速或者停止。S4系列安全光幕:固定、浮动屏蔽,二次触发等功能。分辨率14mm、21mm、36mm;光轴间距7.5mm、15mm、30mm;保护高度:(光轴数-1)*光轴距;适用于保护长度为0-6000mm以内的折弯机或保护区域。

轻量型设计方案:机器人本体轻量化。轻量型设计也是人机协作安全的一个可行方案,通过减轻机器人的机身重量,可以有效地降低其对人体的冲击,从而确保人机协作的安全。例如德国Bionic Robtics公司就开发了一款不配备安全传感器也能与人协同工作的机器人——“Bio Rob Lightweight Robot(Bio Rob)”。人类与BioRob协同工作不需要任何安全措施,主要是因为BioRob在研发时大幅减轻了机身重量,属于轻量级机器人,即使是与人类并肩工作,它的碰撞到人类,人类也会减少它带来的冲击。库卡LBRIIWA系列协作机器人首次实现人类与机器人之间的直接合作,以完成高灵敏度需求的任务。无需防护栏,工作范围扩展至全新领域,从而获得更多经济效益并且达到高效率。

“本质安全”方案:弹性驱动系统。Rethink Robotics公司的Baxter在2012年9月份投入美国市场后受到了广泛的关注。作为全用途车间作业机器人,Baxter的设计使其无需价格高昂的编程,就可以在常规状态下安全地与工人协同作业。Baxter号称“本质安全”。相比于刚性驱动,弹性驱动更加符合安全要求,就像被弹簧弹中和被硬物击中的差别一样。为Baxter赢得成功的专利技术诞生于麻省理工学院,核心技术为串联弹性驱动器(SEA),SEA包括一台电机、一个齿轮箱和一个弹簧。SEA的工作方式是通过测量弹簧的压缩量来控制力的输出,对于弹簧压缩量的测量就是一个力传感器。

力受限方案:运动控制系统。对于力受限的协同机器人进行风险评估时,如果机器人调试到合理的力量和速度,潜在伤害的严重程度可以降低。例如Universal Robots公司的UR系列机器人,其重量只有18kg,其专利传感器技术帮助其实现功率和力的限制功能。机器人知道使用多少力就足以提起负载并移动它,当它发现移动过程中所需的力矩或者力过高,例如在发生碰撞事故时,机器人手臂就会安全关断不会造成伤害事故。汇川技术的机器人产品可在任何运动时刻监测是否有碰撞发生。基于自动学习功能,在线监测与诊断重复轨迹是否发生碰撞;基于动力学模型控制,主动预估非重复轨迹是否发生碰撞;同时可实现在机器人故障、撞击情况下的力矩及速度限制,终实现安全停机。另外,深圳众为兴RX600机器人控制系统,也集成有安全扭矩关断、安全停车等安全控制功能。

上面就是我们讨论的工业机器人人机协作安全问题的几个典型的解决方案,这几个方案在机器人集成中并非独立应用,而是互相渗透加持。而在未来,随着人工智能的全面发展,未来工业机器人或将和智能机器人一样,具有更加智能的安全防护功能,从而在高效生产过程中保障工人安全。

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