实现安全的人机协作

随着人机互动对新技术及解决方案的需求日益增加,安全、高效的人机协作必将实现。

中国制造业正在经历从大到强,从粗放到精细,从大批量到智能化的转型过程中。近年来,智能制造是一个风口,而机器人似乎是风口中的风口。随着工厂智能化的推进,生产线已不再是工人的天下,机器人也已成为主要的劳动力,尤其在传统汽车制造业、电子制造业和新兴的3C和包装搬运行业等。

机器人的应用已经相对成熟,但其安全性必须得到保障。回顾历史,在机器人或生产设备内部或周围保护工人的最常见的方法是在工人和运行的设备之间设置实体围栏。尽管这样类型的安全系统可以带来安全生产并满足相关的规定要求,可是它限制了生产能力和灵活性,并且可能需要大量的维护工作。近几年来,人们开始关注能否拆除金属围栏,让工人和机器人可以并肩工作——即如何设计一台安全的协作机器人,同时必须提供至少与之前相同水平的安全等级。

人机协作挑战

如何让工人的柔性以及机器人的高生产力达到一个平衡点,让生产线发挥最大的作用,这是制造企业最为关注的目标之一。而工业协作机器人的优势在于能够找到这一平衡点:它们可以跟工人组成人机协作团队,共同处理生产线上的任务。对此,皮尔磁工业自动化(上海)有限公司高级技术经理许玮认为,在传统的工业机器人系统中,涉及人员运动技能的活动无法实现自动化,也因此使很多生产环节难以在效率上更上一层楼。未来人机协作的生产方式将机器人效率和准确性上的优势(力量、耐力、速度)和操作人员的灵活性紧密地结合在一起,将拥有极强的优势和不可估量的市场前景 。

与传统工业机器人必须在结构化和确定性的环境中工作不一样的是,协作机器人可以在高度非结构化和随机环境中工作。由于人类行为的复杂性和随机性,不牺牲效率的实时安全性等协作要求,无疑将给人机协作系统带来巨大的不确定性,因此人机协作的最大挑战在于,根据特定应用提供更高效率、更高水平的协作安全。

传统工业机器人制造商库卡、发那科、Nachi、安川、Adept以及ABB等都在人机安全协作方面取得了较为重大的进展。业内领先的工业机器人制造商都相继发布了多款安全的协作机器人产品,包括发那科的协作机器人CR系列,优傲机器人的UR5、UR10及UR3,ABB的双臂及单臂协作机器人YuMi以及库卡的KBR iiwa等等。除了机器人的本质安全必须做到,与人交互的安全性更是一个值得关注的话题,因为唯有人机交互才是智能(包括感知、认知以及高水平的运动规划和控制)的关键。

标准的指引

    工业机器人是由ISO 8373:2012定义的机器人,它是一种可在两个或多个轴上编程,具有一定自主度的驱动机构,可在其所处的环境中运动,并执行预定任务。

由美国国家标准协会和机器人工业协会出版的ANSI/RIA R15.06工业机器人和机器人系统安全标准是一个美国的共识标准,这个标准为机器人正确的嵌入安全功能提供指导,比如如何安全地将机器人集成到工厂及工作场所等。

ANSI/RIA R15.06-1999标准为安全防护操作提供了全面和详细的指引。最新版本的ANSI/RIA R15.06-2012首次引用了ISO 10218:2011,以实现与已在欧洲和其它采用ISO 10218标准的国家的国际标准保持协调一致。

ISO 10218第一部分详细地说明了对工业机器人制造商的安全保障要求,包括机械臂和机器人控制器。ISO 10218第二部分阐述了针对整个工业机器人系统集成商或安装者的责任,其中包括工业机器人、末端执行器、工件、及任何外围设备。

施迈赛工业开关制造(上海)有限公司总经理刘震表示,人机协作安全产品必须符合上述国际标准。“Schmersal产品系列均能满足ISO标准,EN ISO 10218-1(工业机器人制造商的安全要求)和EN ISO 10218-2(机器人系统的系统集成商或制造商的安全要求)。另外,我们的tec.nicum服务部门提供安全技术知识,从咨询到机器人工作站的风险评估,可提供一站式安全解决方案。”

在皮尔磁看来,在安全方面每个机器人应用必须单独考虑。许玮说:“我们的安全解决方案符合DIN EN ISO 10218-2和ISO/TS 15066的规定。并通过针对机器人系统的各生命阶段量身定制系列服务为用户提供支持:从应用分析到根据EN ISO 12100标准进行风险管理,再到CE认证。” 

安全协作解决方案

对人机协作安全设计而言,我们需要首先进行安全评估。先开始审核现有的生产线,识别已经出现的风险,并制定出保护人员远离风险的可行性措施。其次,我们需要识别出风险来源、估算风险、评价风险、以及确定其是否是可接受的还是需要消除的。最终,安全从设计及工程部门开始,继而覆盖到生产和管理部门。

对于人机安全协作类型和方法,目前主要包括4种:

l  安全评估的监控停止——进入协作区后,机器人将进入安全操作停止状态。离开协作区时,机器人将自动或通过复位方式恢复其运动。速度根据风险评估确定。

l  手动引导——可在安全减速时对机器人进行手动引导。速度根据风险评估确定。此外,使能装置与急停装置须随手可得且通过安全评估。

l  速度与距离监控——非固定式防护罩的定位方式可使人员随时接近机器人且无任何风险。人机距离将被监控且速度会相应调整。人员离开检测区时,机器人无需复位就会恢复其运动。

l  功率与力限制——观察某些负载参数时,可能发生人机碰撞。这就需要对机器人提出额外要求。必须安全地监控扭矩、力、功率和速度,如同实施强制性安全功能。

对于人机协作安全的解决方案而言,碰撞测量、安全可视化与安全控制技术和产品是关注的重点所在。其中包括:面向标准人机协作的碰撞测量系统(力和压强的测量)、使用安全激光扫描仪和压敏安全地毯进行区域监控、使用安全照相系统进行区域监控、适合机器人应用的传感器与控制技术等等。

譬如,施迈赛Schmersal多类型的安全光幕与光栅,在占用空间小的情况下,既能满足不同的要求,又保证了机器人工作站的工作效率。发射器与接收器各自独立安装;施迈赛Schmersal安全地毯,监视具有明确界限的危险区域。它们保证了步进保护,即只要操作人员进入活动区域时会触发安全信号,机器就不能正常运行。

面向未来,人机协作越密切,工作效率就越高,同时对安全要求更高。随着人机互动对新技术及解决方案的需求日益增加,安全、高效的人机协作必将实现。

 

 

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