工業(yè)機(jī)器人在工廠中很常見，因?yàn)樗鼈優(yōu)橹貜?fù)性、大批量裝配線任務(wù)提供了體力勞動(dòng)者的有效替代方案。機(jī)器可以連續(xù)多年重復(fù)執(zhí)行高精度任務(wù)，而只是偶爾中斷日常維護(hù)。提高生產(chǎn)力確保了初始高資本投資的回報(bào)。

但相對(duì)低成本的人工仍然是小批量、高混合、復(fù)雜裝配工作的最佳選擇，因?yàn)樗麄冹`巧、靈活，并且可以解決可能導(dǎo)致機(jī)器停機(jī)的問題。協(xié)作機(jī)器人——輕型、緊湊且相對(duì)便宜的全尺寸工業(yè)機(jī)器人的近親——現(xiàn)在被引入以將機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)與人類的資產(chǎn)相結(jié)合。然而，由于協(xié)作機(jī)器人與人類共享工作空間，新的工程技術(shù)必須在保證工人安全的同時(shí)最大限度地提高生產(chǎn)力。讓我們來看看協(xié)作機(jī)器人和人類如何作為同事進(jìn)行協(xié)作。

共享工作區(qū)

協(xié)作機(jī)器人填補(bǔ)了制造環(huán)境中的一個(gè)利基市場(chǎng)，在這個(gè)環(huán)境中，產(chǎn)品組合正在整合，產(chǎn)量增加，但沒有達(dá)到完全自動(dòng)化的程度。協(xié)作機(jī)器人可以進(jìn)行零件的揀選、提升和抓取以及重復(fù)的常規(guī)動(dòng)作，而人類則可以處理該過程中復(fù)雜的制造和智力挑戰(zhàn)。

協(xié)作并不是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的自然延伸。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 將工業(yè)機(jī)器人定義為“一種自動(dòng)控制、可重新編程、多用途的機(jī)械手，可在三個(gè)或更多軸上編程，可以固定到位或移動(dòng)以用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。” 該描述適合專為在沒有人工幫助的情況下實(shí)現(xiàn)最大生產(chǎn)力而設(shè)計(jì)的機(jī)器。

毫不奇怪，自從 1970 年代引入工業(yè)機(jī)器人以來，工廠車間的一個(gè)部門一直是其大批量應(yīng)用的安全自動(dòng)化的要求。今天，工人遠(yuǎn)離，機(jī)器被封閉在金屬屏障后面，以消除快速移動(dòng)和重型機(jī)械部件帶來的危險(xiǎn)（圖 1）。當(dāng)有人或某物穿過光束或通過打開屏障觸發(fā)開關(guān)時(shí)，基本的外部傳感器技術(shù)會(huì)引發(fā)工業(yè)機(jī)器人的緊急停止。當(dāng)技術(shù)人員有意進(jìn)入機(jī)器人的操作范圍進(jìn)行維護(hù)或重新編程時(shí)，機(jī)器會(huì)斷電，手臂鎖定在安全位置。

最大限度地提高速度、強(qiáng)度和精度對(duì)于協(xié)作機(jī)器人仍然很重要，但為了最大限度地發(fā)揮協(xié)作工作的優(yōu)勢(shì)，人類和機(jī)器人需要協(xié)調(diào)工作。為了證明引入?yún)f(xié)作機(jī)器人的合理性，它的成本必須不超過相當(dāng)于人工的成本。如果人類同事仍然將之前的兩到三個(gè)工件組裝在一起，那么將零件移動(dòng)到位并添加快干粘合劑的機(jī)器人幾乎沒有價(jià)值。但更重要的是，協(xié)作機(jī)器人必須不斷了解人類的位置、移動(dòng)方式以及接觸時(shí)（無論是有意還是無意）所施加的力，以確保安全工作。

協(xié)作機(jī)器人的關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)可以概括為：

• 與人類工人和精密裝配設(shè)備的安全互動(dòng)
• 降低成本以證明使用機(jī)器人勞動(dòng)力應(yīng)用的合理性
• 以與人類能力相適應(yīng)的速度進(jìn)行機(jī)器人操作
• 清潔和低噪音操作
• 緊湊輕巧的外形
• 由非專業(yè)工人進(jìn)行簡單快速的編程，以應(yīng)對(duì)多品種生產(chǎn)

協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南

協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素與機(jī)器和人類共享相同工作空間的事實(shí)有關(guān)（圖 2）。設(shè)計(jì)人員需要確保效率高，并且協(xié)作機(jī)器人不斷意識(shí)到其同事有時(shí)不可預(yù)測(cè)的動(dòng)作并能夠安全地做出反應(yīng)。設(shè)計(jì)人員還需要確保協(xié)作機(jī)器人在其與人類之間有意或無意的接觸時(shí)不會(huì)施加過大的力。這增加了復(fù)雜性。與安全系統(tǒng)不是機(jī)器人固有部分的工業(yè)機(jī)器人不同，協(xié)作機(jī)器人包含通常集成到其結(jié)構(gòu)中并由其系統(tǒng)控制的安全系統(tǒng)。

幸運(yùn)的是，針對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的指導(dǎo)以協(xié)作機(jī)器人的國際安全標(biāo)準(zhǔn)的形式出現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)是與這些機(jī)器人在工作場(chǎng)所的快速引入同時(shí)制定的。例如，ISO 在其ISO 10218文檔中提供了一些設(shè)計(jì)協(xié)作機(jī)器人的指南。該組織創(chuàng)建的技術(shù)規(guī)范 (TS) ISO/TS 15066 側(cè)重于協(xié)作機(jī)器人的安全性。ISO/TS 15066 強(qiáng)調(diào)了與安全相關(guān)的控制系統(tǒng)完整性在控制過程參數(shù)（如速度和力）方面的重要性。（注：ISO/TS 15066 是一個(gè)自愿性文件，不是標(biāo)準(zhǔn)。但是，它有望成為未來標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。）

ISO/TS 15066 還提供了供協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)者使用的一般信息，例如解釋需要對(duì)工作空間中的危害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的信息。例如，即使是最好的機(jī)器人設(shè)計(jì)也不能被認(rèn)為是安全的，如果它允許機(jī)器人用它的機(jī)械手圍繞一個(gè)尖銳的物體揮動(dòng)。在另一個(gè)示例中，如果工作空間被固定物體封閉，導(dǎo)致工人被困然后被機(jī)器人運(yùn)動(dòng)壓碎，則工作空間可能很危險(xiǎn)。

ISO/TS 15066 的關(guān)鍵部分涉及工作空間的設(shè)計(jì)、機(jī)器人操作的設(shè)計(jì)以及機(jī)器人協(xié)作和非協(xié)作操作之間的轉(zhuǎn)換。具體來說，該文件提供了實(shí)現(xiàn)以下協(xié)作操作要求的詳細(xì)信息，從而創(chuàng)建了滿足上述設(shè)計(jì)目標(biāo)的安全、高效的解決方案：

安全等級(jí)監(jiān)控停止

安全等級(jí)的監(jiān)控停止是在不切斷電源的情況下確保機(jī)器人停止，并在人類工作人員進(jìn)入?yún)f(xié)作工作區(qū)時(shí)發(fā)生。該系統(tǒng)確保機(jī)器人和人類不會(huì)同時(shí)移動(dòng)，主要用于機(jī)器人在工作空間中快速移動(dòng)重型部件時(shí)使用。

在開始手動(dòng)操作之前，機(jī)器人必須執(zhí)行安全級(jí)別的監(jiān)控停止。在操作過程中，工人與機(jī)械臂直接接觸，并可以使用手動(dòng)控制來移動(dòng)它。此操作用于提升輔助或高度可變的工具應(yīng)用。

速度和分離監(jiān)測(cè)

這種協(xié)作工作方法可能是最相關(guān)的，因?yàn)樗试S操作員和協(xié)作機(jī)器人通過為協(xié)作機(jī)器人配備傳感器來監(jiān)控工人的接近度，從而在工作場(chǎng)所內(nèi)同時(shí)移動(dòng)。在較大的間隔中，協(xié)作機(jī)器人繼續(xù)以中等速度運(yùn)行，但在更接近時(shí)，協(xié)作機(jī)器人會(huì)降低其速度。在非常接近的情況下，它會(huì)達(dá)到一個(gè)完整的安全等級(jí)監(jiān)控停止。

力量和力量限制

當(dāng)協(xié)作機(jī)器人（或任何工件）和工作人員都在協(xié)作工作空間中時(shí)，在應(yīng)用中需要限制功率和力。接觸可以是準(zhǔn)靜態(tài)的，例如將工人身體的一部分夾在協(xié)作機(jī)器人的機(jī)械手和固定物體之間，也可以是瞬態(tài)的，例如撞到同事身體的某個(gè)部位，工人可以后坐。

設(shè)計(jì)安全挑戰(zhàn)

通過對(duì)成本、尺寸和復(fù)雜性進(jìn)行一些調(diào)整，協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)人員可以將現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)用于某些系統(tǒng)，同時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)前面描述的工作方法。例如，安全等級(jí)監(jiān)控停止是工業(yè)機(jī)器人的一項(xiàng)成熟技術(shù)，當(dāng)人類進(jìn)入操作范圍時(shí)，它使用安全屏障實(shí)現(xiàn)緊急停止。

速度和分離監(jiān)控需要新的工程技術(shù)，考慮到工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的是在有人闖入工作區(qū)時(shí)完全停止。相比之下，當(dāng)工人共享工作空間時(shí)，協(xié)作機(jī)器人將繼續(xù)移動(dòng)，盡管速度會(huì)降低，除非方法足夠接近以觸發(fā)安全等級(jí)的監(jiān)控停止。實(shí)施此類系統(tǒng)的關(guān)鍵是將傳感器集成到協(xié)作機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，以便在需要減速時(shí)，閉環(huán)反饋能夠?qū)崿F(xiàn)快速的電機(jī)響應(yīng)。

但最困難的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是功率和力限制。設(shè)計(jì)師可以從工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中學(xué)到很少的東西，因?yàn)樗闹攸c(diǎn)是負(fù)載能力和速度。ISO/TS 15066 的附件通過建議對(duì)疼痛閾值的準(zhǔn)靜態(tài)和瞬態(tài)力以及人類的輕微、可逆和不可逆損傷閾值的限制來提供幫助。瞬態(tài)力閾值可能是準(zhǔn)靜態(tài)力閾值的兩倍，因?yàn)樗鼈儼l(fā)生在較短的時(shí)間范圍內(nèi)，并且工人可以后坐力。

盡管關(guān)于疼痛和損傷閾值的研究仍在繼續(xù)，但目前的指南建議通過在速度和分離監(jiān)測(cè)操作期間將協(xié)作機(jī)器人的速度降低到低于 250mm/s 并將其力降低到低于 150N 來降低夾緊風(fēng)險(xiǎn)。但是，瞬態(tài)力可以是兩倍高，但施加時(shí)間不得超過 500 毫秒。

達(dá)到這些門檻具有挑戰(zhàn)性。例如，一個(gè) 2kg 的機(jī)械臂承載 0.5kg 的負(fù)載并以 1m/s 的速度移動(dòng)，如果發(fā)生意外接觸，必須以 60m/s2 的速度減速，以將其破碎力限制在 150N 以下。在那個(gè)時(shí)候，手臂會(huì)移動(dòng)8mm，這對(duì)于協(xié)作操作來說是可以接受的。承載 3kg 負(fù)載的相同機(jī)械臂需要以 19m/s2 的速度減速，以將其壓碎力限制在 150N 以下，在此期間它會(huì)移動(dòng) 27mm（這對(duì)于填充物來說是可以接受的）。此示例說明機(jī)器人設(shè)計(jì)人員必須考慮由具有不同有效載荷和移動(dòng)速度能力的協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)生的不同動(dòng)態(tài)力。

ISO 指南中的其他建議包括：

• 消除機(jī)器人上的夾點(diǎn)和擠壓點(diǎn)
• 減少機(jī)器人慣性和質(zhì)量
• 當(dāng)機(jī)器人接近固定表面時(shí)降低機(jī)器人速度，使其可以快速停止
• 增加接觸點(diǎn)的表面積
• 組織工作空間布局以限制夾緊點(diǎn)并允許在瞬態(tài)碰撞后反沖

案例研究：協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)

協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)輕巧、緊湊的關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)可以對(duì)作用在機(jī)械手上的力（例如與同事的撞擊）做出快速反應(yīng)，以消除受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

諧波齒輪正受到小型機(jī)器人的青睞，因?yàn)榕c傳統(tǒng)嚙合齒輪相比，它們使設(shè)計(jì)人員能夠減小關(guān)節(jié)尺寸和重量（圖 3）。然而，由于諧波齒輪使用撓性在輸入和輸出之間傳遞運(yùn)動(dòng)，因此與嚙合齒輪替代品相比，該關(guān)節(jié)表現(xiàn)出較低的旋轉(zhuǎn)剛度。

缺乏剛度給協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)者帶來了一個(gè)問題，因?yàn)闄z測(cè)人和機(jī)器人之間的碰撞的首選方法是通過電機(jī)電流產(chǎn)生的變化，也就是說，由于碰撞產(chǎn)生的力導(dǎo)致電機(jī)扭矩成比例變化. 但是缺乏剛度會(huì)導(dǎo)致力在對(duì)電機(jī)扭矩產(chǎn)生任何影響之前將接頭中的松弛部分收起。其結(jié)果是在控制器檢測(cè)到電機(jī)電流增加并可以通過減慢、停止或反轉(zhuǎn)操縱器來響應(yīng)沖擊之前出現(xiàn)時(shí)間滯后。這樣的延遲可能會(huì)導(dǎo)致同事受到大于建議的 500 毫秒瞬時(shí)沖擊時(shí)間和 300N 的最大沖擊力。

機(jī)械解決方案是使用更大的諧波齒輪來提高剛度，但這會(huì)增加機(jī)器人關(guān)節(jié)的尺寸和重量。另一種方法是使用雙高分辨率編碼器和軟件算法。這樣的解決方案會(huì)導(dǎo)致少量的成本增加，但不會(huì)增加接頭的尺寸或增加其重量。

關(guān)節(jié)輸入側(cè)和輸出側(cè)的編碼器將為控制器提供實(shí)時(shí)測(cè)量，以測(cè)量機(jī)器人的實(shí)際位置和編程位置之間任何缺乏??剛度引起的旋轉(zhuǎn)偏差?？刂破骺梢钥焖儆?jì)算誤差的一階補(bǔ)償，消除系統(tǒng)的松弛，并確保通過增加的電機(jī)扭矩立即檢測(cè)到對(duì)機(jī)械手的有意或無意的影響。

結(jié)論

協(xié)作機(jī)器人在與人類共享的工作空間中留下了自己的印記，將機(jī)器人的肌肉與人類的靈巧相結(jié)合，解決問題的能力正在顯著提高生產(chǎn)力。工廠經(jīng)理最近才開始意識(shí)到協(xié)作機(jī)器人可以執(zhí)行的裝配應(yīng)用程序的數(shù)量——目前完全由人工完成。這就是為什么協(xié)作機(jī)器人的影響預(yù)計(jì)會(huì)增加的原因，預(yù)計(jì)到 2025 年增長預(yù)期將大致等于當(dāng)今工業(yè)機(jī)器人總量的規(guī)模。

但這項(xiàng)技術(shù)還為時(shí)過早，工程師們現(xiàn)在了解到，只有工程工業(yè)機(jī)器人中使用的一些設(shè)計(jì)技術(shù)真正適用于他們的協(xié)作表親。需要一種新的設(shè)計(jì)方法來確保協(xié)作機(jī)器人在同事周圍保持安全，同時(shí)仍然為工作帶來速度、精度和負(fù)載處理優(yōu)勢(shì)。

設(shè)計(jì)協(xié)作機(jī)器人是一門新興學(xué)科，幾乎沒有可借鑒的指導(dǎo)。但是，在將第一波模型引入工作場(chǎng)所的同時(shí)，正在制定協(xié)作機(jī)器人的國際安全標(biāo)準(zhǔn)。ISO 10218 標(biāo)準(zhǔn)為協(xié)作機(jī)器人提供了具體的指導(dǎo)方針，而 ISO/TS 15066 為協(xié)作操作建立了安全參數(shù)。供應(yīng)商正在盡自己的一份力量，將電子設(shè)備和傳感器與先進(jìn)的機(jī)械組件結(jié)合起來，以創(chuàng)建新的關(guān)鍵組件，例如專門針對(duì)協(xié)作機(jī)器人在日常工作、操作和交互過程中的獨(dú)特需求而設(shè)計(jì)的專用關(guān)節(jié)。

審核編輯：符乾江