提高协作机器人安全性和投资回报率的技巧

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年10月刊杂志，原标题为：提高协作机器人安全性和投资回报率的技巧

在工厂车间，协作机器人越来越常见。决定是否需要使用协作机器人，需要考虑企业的安全要求、商业目标以及投资回报率等因素。参考ISO/TS 15066协作机器人设计标准中的最新安全导则，合理评估工厂的自动化水平，有助于提升工厂的安全性和生产效率。

在过去几年，协作机器人获得了重大的进展，科幻小说中机器人和人在特定区域一起工作的场景，已经成为现实。随着技术的持续发展，这将会成为生产和自动化领域各种应用场合工厂车间的标准配置。

2015年12月17日，在一个名为“持续改进的工业机器人的投资回报率”的网络直播中，Jeff Fryman 和 Rick VandenBoom探讨了协作机器人的特性及其对公司工艺和自动化发展的意义。协作机器人的安全以及机器人的投资回报是讨论话题之一。在今年2月份发布的ISO/TS 15066协作机器人设计标准中，提供了更详细的信息。

将协作机器人设计为“人型”，可以像人一样移动，从而改善与人的安全交互。有些机器人的外面还包覆了轻型软质材料，能够减轻潜在的撞击影响，从而提高安全性，比如ABB公司的YuMi机器人，该机器人还集成了机器视觉。图片来源：ABB

Fryman是JDF咨询公司的首席咨询师，也是美国机器人工业协会（RIA）前总监。他将协作机器人定义为：“共享工作空间中人和机器人之间的一种特殊运营活动。”

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协作机器人的安全功能

此外，协作运行还需要遵循以下特殊标准：

●它们只能用于执行预先设定的任务；

●只有在所有保护措施就位时才能运行；

●只适合于那些具有特定功能的机器人，这些功能专门为协作运行而设计；符合ISO 10218第一部分的规定。

协作机器人最重要的特征之一是安全级软轴/空间限制，同时具有能够为机器人运动定义限值的软件。软件使用空间限值来定义任何几何形状，从而确定机器人工作的位置。Fryman提醒，一般只有新机器人才有该功能，客户在采购机器人时必须提前咨询是否有这项功能，因为它并不是标准配置。

另外一个重要的功能是可选的安全级转速控制，该功能满足ISO13849-1标准。Fryman解释道，刀具中心控制点的速度，不能超出减速后的速度限值，而且一旦故障，必须能够立即执行保护性停机。

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对安全性的风险评估

每个机器人系统都是独特的，因此风险评估是机器人安全中非常关键的环节。对于一些特殊应用，尤其是功率和出力受限的机器人，必须对机器人进行全面的综合性评估。此外，还有很多重要事项需要考虑，比如工厂车间和工作场所的布局设计、机器人系统的限制、风险和任务识别、以及如何降低风险等。

必须清晰的定义工作空间需求，这样操作员才清楚可以与机器人交互的区域。Fryman强调，“也许为地板涂色有好处，但是在标准中并没有类似的规定。”工作空间的设计应具有一定的灵活性，这样操作员易于执行任务，同时与任何夹具或夹点保持500mm的净距离，这是协作机器人所特有的。

当执行协作任务时，应选择一个或多个安全特性，确保暴露于潜在风险下的所有人员具有一个安全的工作环境。所选的安全特性，检测到任何故障都会导致保护性停机。这些安全措施可以传达给系统集成商，从而进一步指导协作应用的设计。

包装、消费电子和小型部件的集成等行业，可以从协作机器人应用中获益。图片来源：ABB

当试图区分机器移动方向、人可能的运动方向时，更是如此。Fryman说，“如果机器人能够击打到人的脖子以上的任何区域，那这就是不安全的。任何低于它的，都有一个数字编号，但是任何超过脖子行为，都必须得到校正。”

协作机器人功率和力矩限值的最大挑战是，它们不是很好理解。与便于测量和定义的速度控制相比，他们是一种相对量。

最新发布的ISO/TS 15066: 2016协作型机器人设计标准，为协作机器人提供了附加的信息和导则。作为支持ISO 10218“工业机器人安全标准”的补充， ISO/TS 15066 可以作为机器人系统集成商在安装协作型机器人时做“风险评估”的指导性和综合性文件。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，它还涉及到机器人速度、压力对人体特定部位冲击所造成的伤害临界值。

某些协作机器人，可以帮助生产制造商应对人体工程学方面的挑战。Fanuc公司的CR-35iA可以提起35公斤的物品。图片来源：Faunc

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对机器人投资回报率的考量

联合生产制造技术（AMT）公司自动化系统部门的经理Rick VandenBoom认为，任何公司都需要确定协作机器人是否有用。他说，确定改变工艺过程来适应机器人是否能盈利，以及在投资回报率方面需要考虑何种因素是十分重要的。

VandenBoom认为，对于工厂来说，使用包括机器人在内的更多的自动化设备的意义在于：

●提高产量；

●减少直接劳动成本；

●提高产品质量；

●提高工人的安全性；

●减少总体占用空间。

尽管有很多很好的理由来使用自动化，但VandenBoom仍然警告说，不要仅仅因为竞争对手使用自动化或者因为协作机器人在贸易展览上是热门趋势，并且你也有能力支付，就热衷于使用更多的自动化。

一家注模成型机公司已经安装了3台UR的协作机器人，用于维护2台注塑成型机以及配套应用。协作机器人，使该制造商的产量提高了4倍，从而在2个月内就收回了机器人的投资。图片来源：Universal Robots

“你不仅应清楚的理解推动决策过程的因素，还要了解它们的相对重要性。”VandenBoom说道，“当为了某种不恰当的目的而采用自动化设备，其结果往往就是一个失败的自动化项目。”在决策是否使用协作机器人时，公司应识别出项目的业务需求，理解所需的过程，确定适当的自动化水平。

每个公司都渴望最短的工期、最高的质量和最低的成本。“人们都想实现快、好、省的目标。但有时候，你只能实现其中的两个，几乎不可能同时实现三个。通常情况下，你可以选择其中的两个作为努力目标。” VandenBoom说，“在你自己的团队和供应商内部，需要保持理性的思考。”

确定自动化升级的适当水平，需要对目前工厂车间的过程有深刻的理解。明白哪些环节有提升的空间，哪些环节已经具有较高的效率，这需要很长的时间。工艺过程需要考虑的因素包括：工艺过程的数量、操作员数量、正在使用的设备的类型、当前处理周期以及当前空间。

“对当前工艺过程理解的越深刻，越能更好的实现你的目标、更好的降低风险、更明智的取舍，实现协同化运作的理想目标。”VandenBoom 说道。

为了满足高劳动强度、高噪声环境的应用需求，位于加拿大多伦多的Paradigm Electronics公司购买了一台UR10机器人用于抛光加工应用中。协作机器人显著提高了产量，在改善工作环境的同时，消除了生产瓶颈。图片来源：Universal Robots

理解工厂车间需要哪种类型的自动化，以及对自动化需求的程度，也是非常重要的。对一个企业适用的自动化，并不天然的也适用于其他企业，每一个企业所面临的挑战都是独特的。VandenBoom解释道，如果一个公司希望通过机器人来提升自动化水平，那它应该雇佣具有丰富的行业和工程应用方面知识的专家，充分利用他们丰富的经验，避免走弯路。

“让专家在设定好的条件下做出选择，” VandenBoom建议，“不要另起炉灶。”

“让专家在设定好的条件下做出选择，” VandenBoom建议，“不要另起炉灶。”不管最后做出什么决定，公司所考虑的选项都是通过结构化的方法所得出的结论，避免通过猜测做出选择。从收集正确的数据开始，然后进行结构化的分析，最后提出多个基于事实的解决方案。（作者：Chris Vavra）