让机器人更安全——(3.如何定义人机协作行为)

3/3/2017来源:C/C++教程人气:1105

人机协作机器人的重点在于“协作”,那什么是协作呢?如何定义这种行为?

建议首先阅读本系列的前两篇,本文中会引用之前的一些概念和内容。

写在前面

在市场上销售的机器人必须要遵守各种各样的设计与安全规范,对于协作机器人来讲最重要的一个规范莫过于在2016年3月份最新发布的《ISO 15066 Robots and roboticdevices — Collaborative robots》,以下简称ISO 15066。

在ISO 15066发布之前,并没有专门针对协作机器人的规范,厂商多采用ISO 10218中的相关条款作为设计参考,但是10218中的与协作机器人相关的内容比较简单,指导性不强。

ISO 15066的出现,为机器人行业解答了以下几个问题:

如何定义人机协作行为?

如何量化机器人可能对人造成的伤害?

在以上基础上,对协作机器人的设计有什么要求?

谁应该阅读ISO 15066?

机器人制造商

系统集成商

工具制造商

生产管理人员

应用工程师

由于整个规范的篇幅较长,且规范性的文章比较枯燥,为了不至于让各位看着瞌睡,我们把该规范拆成2~3篇文章进行介绍,本篇首先介绍第一个问题。

 

如何定义人机协作行为?

1、协作对象

由于现在的机器人无法独立完成任务,必须安装适当的末端工具,增加必要的外部辅助设施以构成机器人工作站才能正常工作,因此当我们说协作时,并不是机器人(Robot)与人之间的协作,而是机器人系统(Robot System)与人之间的协作。

机器人系统(Robot System)的概念中包括:

工业机器人(Industrial Robot);

末端执行器/工具(End-effector(s));

其他用来支持机器人完成任务的传感器、设备、机械设施以及外部轴等;

在任何一个有关机器人安全的规范中,对于风险评估(Risk Assessment)环节的描述,其对象都是机器人系统,这个要求对于协作机器人来讲也是一样的。例如,如果在协作机器人末端安装一把尖刀用于切割,虽然机器人是相对安全的,但是所使用的工具非常危险,对于一个机器人系统来讲,就很难符合人机协作的要求。

对整个机器人系统进行安全评估的工作大部分应由集成商来完成,感兴趣的知友可以参考ISO 10218-2中的相关规定,本文接下来的内容将主要关注机器人自身的协作功能。

需要强调的是,协作机器人并不是无条件安全的,在使用之前必须要进行风险评估,以确定合适的防护措施,以UR为例,在经过符合规定的风险评估后,也只有约80%的情况下不需要使用额外的安全防护措施:

Around 80% of the 6 axis URrobots worldwide Operate with no safety guarding after initial risk assessment.

2、协作方式

当我们提起人机协作,首先想到的是UR、iiwa、sawyer这样身材纤细、造型现代的轻型机器人,但实际上人机协作并不是协作机器人的专利,传统机器人也可以执行协作任务。

在较早的ISO10218中,按照协作程度从低到高,提出了四种人机协作方式(Methods),分别是:

 1)Safety-rated monitored stop (安全级监控停止)

 2)Hand guiding (手动引导)

 3)Speed and separation monitoring (速度和距离监控)

 4)Power and force limiting (功率和力限制)

ISO 15066针对这四种方式在功能描述(Requirements)、实施细节、状态转换(Transitions)等方面进行了细化。

传统机器人在配备合适的安全控制器/安全选项的情况下,可以实现1~3的协作功能。对于第4种,由于产品设计原因,一般很难实现(这个往后第二篇再讲。。。)

Safety-rated monitored stop (安全级监控停止)

这是最基础的协作方式,即当人员进入协作区域时,机器人停止运动,并保证安全的静止,以便操作人员执行某些操作(例如往机器人上安装需要加工的工件,更换机器人所用的工具等);当人员离开协作区域,机器人可以自动恢复正常运行(non-collaboratively),见下图:

看起来挺复杂,但实际上只需要注意上图中的两个红色区域即可,即当操作人员和机器人同时处于协作区域时,机器人必须保证静止。

Hand guiding (手动引导)

 

手动引导是稍微高级一些的协作方式,类似于现在的拖动示教。在手动引导模式下,操作员通过一个手动操作的装置(hand-operated device)将运动指令传送给机器人系统。在操纵员被允许进入协作区域并执行手动引导任务之前,机器人应已经处于安全级的监控停止状态。操作员通过手动操纵安装在机器人末端或者靠近机器人末端执行器的引导装置来控制机器人完成任务。

手动引导的操作流程如下:

机器人进入协作区域并触发安全级的监控停止,为手动引导做好准备--这之后操作员被允许进入协作区域;

当操作员开始使用手动引导装置控制机器人时,安全监控停止接触,操作员开始引导机器人工作;

当操作员释放手动引导装置时,应触发安全监控停止;

当操作员离开协作区域时,机器人系统可以恢复到非协作模式。

如果操作员进入到协作区域时,机器人系统还没有为手动引导做好准备,则应触发一个保护停止(PRotective Stop)。

Speed and separation monitoring(速度和距离监控)

 

在这个模式下,允许机器人和人员同时出现在协作区域中,但是需要机器人与人员保持一个最小的安全距离。当二者之间的距离小于安全距离时,机器人立刻停止。人员离开后,机器人可以自动恢复运行,但仍然需要保持最小安全距离。如果机器人降低了移动速度,则安全保护距离也可相应地缩小。 速度和距离监控适用于协作区域内所有的人员。如果保护措施的性能受协作空间内人数的限制,则应在使用说明中注明允许的最大人数是多少。当超过该数字时,应触发保护停止(Protective Stop)。

当机器人系统中某个危险部件与任何人员之间的距离小于安全距离时,机器人系统应:

触发保护停止;

触发与机器人系统相连的安全级功能(例如关闭所有可能导致危险的工具);

机器人可使用的降低违反安全距离风险的方法包括但不限于:

降低速度,然后可能会切换到安全的监控停止状态;

选择一个不会违反最小安全距离的路径,在保持速度和距离监控功能激活的情况下继续运动;

当实际的距离达到或者超过最小安全距离时,机器人可恢复到正常的运动状态。

最小安全距离的计算方法可参考ISO 13855,具体计算公式比较复杂,可参考英文原版中P12~P14。

这种协作方式的实现依赖于外部的传感或者探测手段,受限于成本/性能的限制,实际应用并不太多。

Power and force limiting (功率和力限制)

 

(iiwa可以检测到外围的碰撞或者挤压,在装配时不会由于人员的意外介入对人体造成伤害)

 

(在实验中,具备高级碰撞检测功能的KUKA iiwa,在末端安装了匕首之后,可以在不刺伤人的情况下安全停止)

上面提到的三种协作方式从某种意义上说更像是一种被动手段(虽然严格意义上将并不是被动的),而真正让协作机器人获得快速发展的,是第四种更为本质、更为高级、更为安全的协作功能,即对机器人本身所能输出的能力和力进行限制,从根源上避免伤害事件的发生。

此外,上述三种方式并不允许人与机器人进行直接接触(Physical Contact),而在该模式下,允许机器人系统(包括工件)与人体之间发生故意或者无意的物理接触。

接触情形(Contact Situations) 在该模式下,操作人员与机器人系统的接触可能发生的情况如下:

有计划的接触,属于整个应用的一部分,;

意外的接触情形,可能是由于没有遵守操作步骤导致的,但是没有技术故障(technical failure);

模式失效导致发生接触;

在运动的机器人部件和人体不同区域之间可能的接触又可以分成两种:

准静态接触(Quasi-Static Contact):这种情况一般是指人体被机器人和其他部件夹在中间。此时,机器人系统会向被夹住的人体施加一个持续的力,直到该状态被解除。

瞬态接触(Transient Contact):也被称作动态冲击(Dynamic Impact),指人体被机器人系统的移动部件所撞击,且人体不会被机器人系统夹住或者困住,由此导致一个短时的实际接触;瞬态接触依赖于机器人惯性、人体惯性以及二者之间相对运动速度的组合。

(没有找到非常合适的图片,上图中前者可看做瞬态接触,后者可看做准静态接触)

对机器人所输出的功率和力进行限制,可以保证人在机器旁边安全的工作,同时不降低机器人的工作效率,不增加应用成本,这是当前主流协作机器人都(应)具备的重要功能。

 ISO 15066引用的其他规范

ISO 10218-1:2011, Robots and robotic devices —     Safety requirements for industrial robots — Part 1: Robots

ISO 10218-2:2011, Robots and robotic devices —     Safety requirements for industrial robots — Part 2: Robot systems and     integration

ISO 12100, Safety of machinery — General principles     for design — Risk assessment and risk reduction

ISO 13850, Safety of machinery — Emergency stop     function — Principles for design

ISO 13855, Safety of machinery — Positioning of     safeguards with respect to the approach speeds of parts of the human body

IEC 60204-1, Safety of machinery — Electrical     equipment of machines — Part 1: General requirements