协作机器人新时代：让机器人与人在一起安全工作
协作机器人已经从一个新奇的事物变成了制造业内一个日益增长的力量。新标准的推出有助于提高协作机器人与人在一起工作的安全性。风险评估是确保人机交互安全运行的重要环节。
2008年，协作机器人还只是一种探索。到2012年，大多数时候，它还只是被视为时尚。但仅仅一年之后，工业领域已经开始注意到它了。现在，协作机器人已经在制造业获得了立足之地。很多人说，它们代表着未来。
“协作应用是下一个新的领域，它将真正推动业务和应用的发展，甚至可能扩展到那些未知的领域。”优傲机器人公司（Universal Robots）的全球技术合规负责人Roberta Nelson Shea说道。
尽管移动协作机器人的手臂，“教”它怎样完成任务是人机协作非常重要的一部分，但是它与协作运行方式之一的“手动引导”并不是一回事。本文图片来源：RIA
一份来自ABI的市场研究报告预测，到2020年，协作机器人市场将飙升至10亿美元，将会有超过40,000台的合作机器人安装在生产制造生产线。随着应用数量的增加，对机器人安全性的关注也随之增加。
协作机器人领域中最令人期待的技术规范之一“ISO/TS 15066:2016机器人和机器人设备-协作机器人”于2016年2月发布。ISO/TS 15066技术标准可以为机器人协作系统的设计者、集成商和用户在如何评估和减轻风险方面提供指导方针。
ISO/TS 15066 描述了不同的人机协作概念和详细的要求。除了安全设计和风险评估的要求，它还展示了以下研究成果，即机器人速度、压力对人体特定部位冲击所造成的伤害临界值。
作为ISO 299技术委员会第三工作组召集人（ISO/TC 299 WG3），Nelson Shea负责开发新的技术规范。自1982年召开第一次委员会会议以来，Nelson Shea一直在参与机器人安全标准工作。她说关于协作机器人的最初设想受到了强烈的质疑。“以前，安全的前提是让人远离机器人。但如果我们换一种方式思考：如果机器人及其工具和部件在与人接触时并不会让人受伤，那么为什么不让它接触呢？”
工厂车间增加协作机器人的目的，是为了提高生产力和灵活性，同时为人类创造一个更安全的工作场所。
考虑人的因素
“传统上，自动化系统的设计，并没有考虑到人。但是，随着机器人变得更具流动性，与人互动的能力也逐步增强，传统的设计模式已经满足不了未来技术的发展需求。”GE全球研究自动化中心的Roland Menassa说道，“现在，我可以把具有协作能力的机器人部署在工厂车间，人们和它们可以并肩作战。”
GE的全球研究自动化中心专注于4个主要领域：机器人、控制、材料处理以及与跟踪工厂底层数据流的系统集成。GE已经开始将工业物联网（IIoT）和自动化作为关键因素。
“当我来到GE时，协作机器人开始进入市场，所以我在GE公司内，参观不同的工厂，以便对其进行评估。”Menassa说，“我们是小批量、大型工业产品的生产制造商，例如生产重达数千磅的燃气涡轮机；也生产大家都要使用的、中高型容量的产品，如照明装置和断路器等，在生产线上会有成百上千个SKU。
“我们仍然需要焊接，以及让机器人搬运重型设备和完成非常困难的操作过程，”Menassa说，“但是，回过头来看，在那些机器人已经进入领域的生产线上，仍然可以见到很多工人。这主要是由于柔性材料所带来的挑战。当我们制造断路器或照明设备时，电线和一些比较灵活的材料会比较难以处理。挑战是，如何在手动处理柔性部件的过程中，无缝接入自动化？”
通过机器人或控制系统固有的安全特性，专门设计一些功率和力受限的机器人，从而可以实现与人的安全接触。这种类型的机器人通常由轻质材料组成，在关节上安装有力和扭矩传感，并可能有柔软的填充皮肤。
任何协作机器人安装的最低要求是进行风险评估
协作运行的4种方法
在ANSI / RIA 15.06和ISO 10218 工业机器人安全标准和新的ISO/TS 15066标准下，协作运行有4种方法或类型：
安全监控停止
手动引导
速度和分离监控
功率和力的限制
这些往往是人类与机器人协作中最容易被误解的地方。为了避免混淆，Nelson Shea建议生产制造商将协作运行的4种方法看做是场景而不是不同的模式。
在每一种情况下，机器人和人类操作员之间都有一个共享空间。在安全级系统监控的停止工况下，在与人类操作员共享的空间内，机器人根本不会移动。
有一种常见的误解，认为用手引导就是教它如何操作。Nelson Shea说事实并非如此。“移动机器人手臂教导它完成某些任务，这并不是协作意义上的用手引导。当你这样做的时候，它并不是自动运行的。”
当用于描述协作运行时，用手引导指的是机器人和人占据共享空间的工况，而机器人只有在人的直接控制下才会移动。
“在速度和分离监控的情况下，机器人和人都可以在该空间里移动，”Nelson Shea说，“但是如果机器人和人之间的距离太近，机器人就会停止，这和第一个场景（安全监控停止）非常相似。”。
在功率和力受限的情况下，人与机器人之间可能有相互接触，但机器人的功率和力是受限的，因此，即使有任何影响，也不会对人类操作员发生任何伤害。”
在一个机器人系统中，这4种协作运行方法可以相互组合，或者拥有全部4种协作运行模式。新的TS 15066标准包括计算保护距离和分离速度监测的计算公式。
在技术规范中，最有趣的部分也许是它的附件，其中包含了如何建立人体各个部位疼痛阈值的指南，特别是对于功率和力受限的应用。然后可以推算数据，以确定协作应用程序的速度限制。
“尽管之前的标准也有关于协作运作模式的信息，但新标准更吸引人的地方是功率和力受限的机器人。”Robotiq的首席技术官Jean Philippe Jobin说，他所在的公司生产协作机器人使用的自适应夹具。“现在，市面上有更多类型的机器人，但是除了ISO 10218之外，没有明确的指导文件来帮助人们安全的将那些机器人安装在工厂里。”
协作机器人在装配流水线上与人类安全地并肩工作
从风险评估开始
Nelson Shea和Jobin都强调，任何协作机器人集成的最低要求是先进行风险评估。
“风险评估是最重要的方面，”Jobin说。“如果您的应用程序需要比文档中提到的力或功率更高，这并不意味着它不安全。从这个技术规范中得到的数据与疼痛有关，而ISO 10218要求的是不会发生伤害。”
“疼痛和受伤是有区别的，”他补充道，“用户可以进行测试，以证明即使它们比ISO 15066中的状态略高一点，但仍然安全，因为它们可以证明在特定情况下，机器人不会伤害到人。”
Jobin表示，在进行风险评估时，非常重要的一点是要将关注重点放在应用方面，而不是机器人。
他说：“如果你看一下文档，它很少提到机器人的字眼。它描述的是协作工作单元或协作应用程序。它涉及到电缆、夹具和机器人，以及工作单元内的所有部件。
有一个普遍的误解：如果机器人是“本质安全”的，那这种操作就是安全的。例如，机器人在处理尖锐物体时，如果在边上有一个没有安全保护措施的人，那就不安全。另一种情况是，如果机器人正在处理重物，如果坠落或抛射出来，则可能会造成伤害。
在考虑采用机器人的过程中，安全是一个主要因素，也是在新的协作机器人模式中提升工人信心的重要因素。
“安全是我们的第一要务，”Menassa说。“任何应用程序关注的都不是机器人是否安全，而是‘任务是否安全？’所以我们做了基于风险分析的任务评估，遵守所有规则和所有RIA（美国机器人协会）标准。我们请RIA的人来培训，以便于更好地理解机器人在做什么、末端执行器的形状、有什么尖锐的东西吗？有什么东西会伤害到人吗？”
“如果我们认为在机器人的力或扭矩限制能力之外，还需要其它方面的保护，那么我们将放置适当的安全装置，例如光幕或激光扫描仪，以缓解风险。”他补充说。
ANSI注册的技术报告RIA TR R15.306-2016-基于任务的风险评估方法，介绍了一种符合2012 15.06标准要求的风险评估方法，该标准已于2016更新。
“RIA发布了我们进行任务评估的方法。我们用这些方法来评估协作机器人项目是否有任何风险，及其风险的严重程度。”Menassa说。“然后，我们尝试通过修改工程设计，以减轻这种风险。”
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年10月刊《封面故事》栏目，原标题为：协作机器人新时代：让机器人与人在一起安全工作
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