菲亞特在 70 年代后期推出全新 Strada 車型，其歌劇式電視廣告使大眾驚覺未來機器人將大量用于制造。 隨后的四十年中，機器人在各種各樣的工業(yè)場景中得到廣泛使用。 出于安全考慮，人們總是將機器人與人類分開，作為獨立實體作業(yè)，除非特殊情況，人不得與其接近。
現(xiàn)在機器人走出了這些局限。 受經(jīng)濟競爭因素的推動，現(xiàn)在制造企業(yè)正在工廠部署新型機器人。 此外，日常工具中使用智能技術已司空見慣，熟悉這些技術的工人已準備好接受這個新興事物。
協(xié)作機器人或稱為“cobot”正在成為一種強大的新型工業(yè)工具。 這個術語包含了一個看法，即機器人和人類一起工作可以達到兩方面的最佳結(jié)果：機器人的裝配速度和可重復性與熟練人員的適應能力相結(jié)合。
為了以合適的價格實現(xiàn)超高品質(zhì)期望，OEM 廠商加強自動化的壓力越來越大。機器人和人類在生產(chǎn)線上并肩作業(yè)可以消除不必要的變化，同時不失完成復雜裝配任務、個性化產(chǎn)品或處理異常事件所需的人工參與。 協(xié)作機器人還可以用于空間受限無法提供使用傳統(tǒng)機器人所需安全防護的工作場所，如在實驗室為操作員提供點樣或裝載/卸載等操作的協(xié)助。
傳統(tǒng)工業(yè)機器人通常被看作昂貴的定制系統(tǒng)，只有相對少量的有著大批量生產(chǎn)需求的大型企業(yè)才能負擔得起。 與此相反，協(xié)作機器人是能夠負擔的通用可編程設備，可“示教”其執(zhí)行簡單的處理，例如裝配燈具。 而操作人員可以站一旁，執(zhí)行自動化難以操作的相關任務。
圖 1：可配接像夾持器之類工具的六關節(jié)協(xié)作機器人 （F&P Personal Robotics 圖片）
當今市場上的協(xié)作機器人往往都是臂型機器人，在多個點鉸接在一起，以提供寬運動范圍，如圖 1 所示的六關節(jié)機器人。 這類機器人通常最大作業(yè)范圍從約 300 毫米到大型系統(tǒng)的 1.5-1.8 米，最大有效載荷從 2-3 千克到 10-15 千克左右。 然而，ABB 的雙臂 YuMi?（圖 2）更接近人類外觀。
圖 2：YuMi 是一種輕型桌面協(xié)作機器人（出于安全考慮手臂帶有軟墊）。
隨著協(xié)作機器人在工業(yè)中得到越來越廣泛的應用，使用場景也正不斷延伸。 從直接執(zhí)行單一的簡單工藝到與人類大量互動來協(xié)作完成一組復雜任務。
安全要求和標準
從長期來看，工作場所成功整合協(xié)作機器人的關鍵就取決于安全。 歸類為安全的機器人在無人看守的操作中對人類造成的任何身體不適可能給機器人所有者或供應者帶來財務責任，并會損害對協(xié)作機器人概念的信心。
協(xié)同機器人適用的主要國際安全標準有 ISO 10218-2011 第一和第二部分（分別涵蓋機器人和機器人系統(tǒng)和集成）以及技術規(guī)范 ISO/TS 15066。 ISO/TS 15066 提供了有關如何應用 ISO 10218 標準的指南，如評估風險和確定適當?shù)牧退俣葮O限。
ISO 10218-1 將協(xié)同操作定義為“專門設計的機器人在規(guī)定的工作空間與人類直接合作進行作業(yè)的狀態(tài)”。 標準包括了協(xié)同作業(yè)的各種方式，例如通過窗口交換物品，或在一個共同的工作空間內(nèi)頻繁互動。 根據(jù) ISO 10218-1，協(xié)作機器人必須滿足至少四個標準之一以確保人身安全，如表 1 所示。
| ISO 10218-1 條款 | 安全特性 | 典型應用 | 間隔距離 | 主要風險降低措施 |
| 5.10.2 | 安全級監(jiān)控停止 | 裝載/卸載 | 小/零 | 有人時無動作 |
| 5.10.3 | 手動引導 | 裝配、填充 | 小/零 | 直接操作員輸入指令時才執(zhí)行動作 |
| 5.10.4 | 速度和間距監(jiān)控 | 處理、檢查 | 安全級監(jiān)控速度/距離 | 防止接觸 |
| 5.10.5 | 功率和力大小限制 | 協(xié)作裝配、裝載 | 小/零 | 防止力過大的固有設計或控制 |
表 1。 協(xié)作機器人必須至少滿足一個 ISO 10218-1 安全條款。
安全檢測
要實現(xiàn)符合安全要求的停止、速度和間距監(jiān)控及力度限制等功能需要各種傳感器來。
檢測機器人附近有無人體等大型物體存在的方式有很多。 電容式傳感器如 Omron E2KQ 感測范圍為數(shù)毫米，可插入 13 毫米直徑的孔中。 而光學傳感器如 Panasonic RX-LS200 檢測范圍更廣，可達 200 毫米，響應時間小于 1 毫秒， 它安裝在 45 mm x 35 mm x 14 mm 的壓鑄鋅合金外殼中。
如果采用間隔距離檢測來調(diào)整機器人速度，則可能適合使用飛行時間傳感器，如 STMicroelectronics VL6180X。 通過測量 IR 信號從內(nèi)置傳感器發(fā)出，經(jīng)過反射到被其接收所需的時間來高速計算到物體的距離。 VL6180X 的范圍高達數(shù)厘米，且精度不受檢測物體的反射率影響。 傳感器可通過 I2C 連接到微控制器，并配備了一個應用程序接口 (API)，由方便主機應用程序控制的一組 C 函數(shù)組成。
功率和力度限制用于防止機器人施加的力不足以傷害機器人動作范圍內(nèi)的人。 需要進行風險評估來確定適當?shù)南拗疲喝绻麢C器人持有尖銳物體，則需要設定極低的力度限值以防因接觸造成傷害。
協(xié)作機器人的固有安全特性通常包括：柔軟、平滑的外殼和能夠在撞擊時有效分散沖擊力的圓角處理。 圖 1 所示的機器人配備軟罩，具有合成皮革的皮膚。 這不僅保護人類員工，也防止重要機器人機構(gòu)和控制模塊損壞。
雖然軟罩可以減輕傷害，仍需要力感測以激活緊急停止，并且這將成為協(xié)作機器人安全控制系統(tǒng)的一個重要方面。 測量力的方法有多種，例如通過檢測轉(zhuǎn)子位置和電流來檢測馬達扭矩是否過高。 如果馬達遇到障礙物，電流會增加到預定閾值以上，進而觸發(fā)系統(tǒng)關閉馬達。 這種方法只需要最少的附加組件，因為轉(zhuǎn)子位置傳感器和電流傳感電阻器通常是馬達控制系統(tǒng)的一部分。 另一方面，可能需要在系統(tǒng)中使用軟件或邏輯，以區(qū)分處理常規(guī)載荷引起的正常馬達扭矩變化與因協(xié)作人員造成阻礙造成的扭矩增加。
或者可以直接使用嵌入機器人各部分（如夾爪）中的一個或多個傳感器來測量力。Honeywell 的 FSS 系列表面貼裝力傳感器，包括檢測范圍為 0-1.5 kgf 的 FSS1500NGT，帶有壓阻微加工硅傳感元件。 要檢測的力施加到該元件時，會導致傳感元件中的電阻變化。 這些傳感器擁有高機械穩(wěn)定性和對安裝應力的低敏感性。 根據(jù)作用力的大小，電比率輸出可產(chǎn)生高達 360 mV 的電壓。 像 FSS1500NGT 這樣的傳感器已廣泛用于控制機器人的末端操縱裝置。
結(jié)論
在整個工業(yè)領域，協(xié)作機器人的運用越來越廣泛，因為它可以降低運營成本、提升品質(zhì)和生產(chǎn)率，特別是對制造商來說，經(jīng)濟意義尤為明顯。 目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)制定了多個安全標準，并提供評估風險的指導原則，幫助廠家確定切實可行的像速度和力大小這樣的安全限值。 確保人身安全將是業(yè)內(nèi)對協(xié)作機器人概念確立信心的關鍵。
