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在近的幾年中,工業(yè)機器人在全球制造業(yè)應(yīng)用越來越廣泛,尤其是在一些發(fā)展中國家的勞動密集型行業(yè)中,工業(yè)機器人應(yīng)用的越來越廣泛。機器人密度成為評價一國制造業(yè)自動化水平的重要標準。面臨中國人口紅利拐點,中國工人在“機器換人”的政策之風下,也面臨著失業(yè)的風險。同時,由于機器人技術(shù)水平以及集成度的關(guān)系,從一條智能化的工業(yè)4.0生產(chǎn)線來看,人工工位依舊存在,人機協(xié)作成為工業(yè)4.0的主流技術(shù)。
在近的幾年中,工業(yè)機器人在全球制造業(yè)應(yīng)用越來越廣泛,尤其是在一些發(fā)展中國家的勞動密集型行業(yè)中,工業(yè)機器人應(yīng)用的越來越廣泛。機器人密度成為評價一國制造業(yè)自動化水平的重要標準。面臨中國人口紅利拐點,中國工人在“機器換人”的政策之風下,也面臨著失業(yè)的風險。同時,由于機器人技術(shù)水平以及集成度的關(guān)系,從一條智能化的工業(yè)4.0生產(chǎn)線來看,人工工位依舊存在,人機協(xié)作成為工業(yè)4.0的主流技術(shù)。機器人是技術(shù)工人的助手,做重復(fù)性的“臟活、累活”,減輕技術(shù)工人的負擔,并確保與工人“安全互動”。
這么多年,人們一直在研究使用機器人的安全問題。美國更是提出處于協(xié)同工作模式下的機器人必須滿足標準提出的四項要求之一:具有安全等級的受控制動;手控;速度和間距監(jiān)控;限制功率和力。國際委員會據(jù)此起草了ISO技術(shù)規(guī)范(TS)15066,作為在協(xié)同工作模式下使用此標準的指導(dǎo)。本文,我們就來盤點一下機器人集成方案中的工業(yè)安全控制方案。盡管存在以上四個方面的要求,但從實際機器人集成方案來看,人機協(xié)作的安全控制方案無非兩種,一種是基于外部監(jiān)控的外部控制系統(tǒng)方案,另一種則是基于機器人本體設(shè)計的內(nèi)部控制系統(tǒng)方案。
區(qū)域監(jiān)控方案:激光距離傳感器安全光幕,大部分情況下,人類與機器人協(xié)同工作時,都要在機器人或者其所在的環(huán)境中安裝激光距離傳感器等,用于監(jiān)控機器人的整個工作區(qū)域。這種情況下,佳解決辦法是增加一個區(qū)域掃描或者光幕,可以監(jiān)測到“快速操作區(qū)域”內(nèi)是否有工人。例如安川Motoman機器人,其功能安全選配單元上采用了具有安全等級的受控制動組件,后者位于機器人的控制器上。外部安全激光傳感器可以發(fā)現(xiàn)人員是否進入機器人作業(yè)區(qū)域,并通知機器人手臂減速或者停止。S4系列安全光幕:固定、浮動屏蔽,二次觸發(fā)等功能。分辨率14mm、21mm、36mm;光軸間距7.5mm、15mm、30mm;保護高度:(光軸數(shù)-1)*光軸距;適用于保護長度為0-6000mm以內(nèi)的折彎機或保護區(qū)域。
輕量型設(shè)計方案:機器人本體輕量化。輕量型設(shè)計也是人機協(xié)作安全的一個可行方案,通過減輕機器人的機身重量,可以有效地降低其對人體的沖擊,從而確保人機協(xié)作的安全。例如德國Bionic Robtics公司就開發(fā)了一款不配備安全傳感器也能與人協(xié)同工作的機器人——“Bio Rob Lightweight Robot(Bio Rob)”。人類與BioRob協(xié)同工作不需要任何安全措施,主要是因為BioRob在研發(fā)時大幅減輕了機身重量,屬于輕量級機器人,即使是與人類并肩工作,它的碰撞到人類,人類也會減少它帶來的沖擊。庫卡LBRIIWA系列協(xié)作機器人首次實現(xiàn)人類與機器人之間的直接合作,以完成高靈敏度需求的任務(wù)。無需防護欄,工作范圍擴展至全新領(lǐng)域,從而獲得更多經(jīng)濟效益并且達到高效率。
“本質(zhì)安全”方案:彈性驅(qū)動系統(tǒng)。Rethink Robotics公司的Baxter在2012年9月份投入美國市場后受到了廣泛的關(guān)注。作為全用途車間作業(yè)機器人,Baxter的設(shè)計使其無需價格高昂的編程,就可以在常規(guī)狀態(tài)下安全地與工人協(xié)同作業(yè)。Baxter號稱“本質(zhì)安全”。相比于剛性驅(qū)動,彈性驅(qū)動更加符合安全要求,就像被彈簧彈中和被硬物擊中的差別一樣。為Baxter贏得成功的專利技術(shù)誕生于麻省理工學(xué)院,核心技術(shù)為串聯(lián)彈性驅(qū)動器(SEA),SEA包括一臺電機、一個齒輪箱和一個彈簧。SEA的工作方式是通過測量彈簧的壓縮量來控制力的輸出,對于彈簧壓縮量的測量就是一個力傳感器。
力受限方案:運動控制系統(tǒng)。對于力受限的協(xié)同機器人進行風險評估時,如果機器人調(diào)試到合理的力量和速度,潛在傷害的嚴重程度可以降低。例如Universal Robots公司的UR系列機器人,其重量只有18kg,其專利傳感器技術(shù)幫助其實現(xiàn)功率和力的限制功能。機器人知道使用多少力就足以提起負載并移動它,當它發(fā)現(xiàn)移動過程中所需的力矩或者力過高,例如在發(fā)生碰撞事故時,機器人手臂就會安全關(guān)斷不會造成傷害事故。匯川技術(shù)的機器人產(chǎn)品可在任何運動時刻監(jiān)測是否有碰撞發(fā)生。基于自動學(xué)習(xí)功能,在線監(jiān)測與診斷重復(fù)軌跡是否發(fā)生碰撞;基于動力學(xué)模型控制,主動預(yù)估非重復(fù)軌跡是否發(fā)生碰撞;同時可實現(xiàn)在機器人故障、撞擊情況下的力矩及速度限制,終實現(xiàn)安全停機。另外,深圳眾為興RX600機器人控制系統(tǒng),也集成有安全扭矩關(guān)斷、安全停車等安全控制功能。
上面就是我們討論的工業(yè)機器人人機協(xié)作安全問題的幾個典型的解決方案,這幾個方案在機器人集成中并非獨立應(yīng)用,而是互相滲透加持。而在未來,隨著人工智能的全面發(fā)展,未來工業(yè)機器人或?qū)⒑椭悄軝C器人一樣,具有更加智能的安全防護功能,從而在高效生產(chǎn)過程中保障工人安全。
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