協(xié)作機器人系統(tǒng)集成及安全方案研究

朱二欣

（大眾一汽發(fā)動機（大連）有限公司，遼寧大連，116600）

0 引言

“智能制造”是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢[1]，這其中，工業(yè)機器人作為智能制造的基礎(chǔ)裝備，將發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。

在傳統(tǒng)制造模式中，工業(yè)機器人被應(yīng)用在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，其工作空間通過安全圍欄嚴(yán)格與人隔離，在滿足安全使用要求的同時，也限制了機器人與人的接觸和互動[2]。智能的、柔性的自動化生產(chǎn)，越來越多地面臨人機共存的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。機器人有高精度和重復(fù)性等特點，人類在認(rèn)知和靈活性方面更擅長，將兩者相結(jié)合，人機協(xié)作模式應(yīng)運而生。然而，由于缺乏物理圍欄的防護，協(xié)作機器人系統(tǒng)更容易“裸露”。同時，人機協(xié)作需要人員和機器人工作在共同的工作空間，這又增加了風(fēng)險發(fā)生的可能性。因此，根據(jù)安全規(guī)范和現(xiàn)場使用要求，協(xié)作機器人應(yīng)用需要具備安全的解決方案，確保協(xié)作機器人在動態(tài)不確定的環(huán)境中能夠高效安全地運行[3]。

當(dāng)前，汽車行業(yè)不斷涌現(xiàn)出協(xié)作機器人的應(yīng)用案例，如華晨寶馬汽車有限公司采用協(xié)作機器人進行汽車儀表在線質(zhì)量檢測[4]，上汽通用汽車有限公司基于協(xié)作機器人開發(fā)汽車玻璃涂膠工作站[5]。盡管協(xié)作機器人的應(yīng)用越來越廣泛，但協(xié)作機器人系統(tǒng)集成尤其是安全方案相關(guān)的研究卻比較少見。調(diào)查研究表明，協(xié)作機器人系統(tǒng)集成的規(guī)劃設(shè)計和安全方案評估，是協(xié)作機器人系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的兩大挑戰(zhàn)[6]?；谏鲜鲈颍斜匾獙f(xié)作機器人系統(tǒng)應(yīng)用和安全方案設(shè)計進行研究。

協(xié)作機器人的技術(shù)規(guī)范ISO/TS 15066[7]提供了安全方案的準(zhǔn)則和依據(jù)，是協(xié)作機器人應(yīng)用的重要指導(dǎo)文件。本文首先對該技術(shù)規(guī)范進行解讀，將其梳理為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和安全方案評估兩個相互關(guān)聯(lián)的過程，以此作為協(xié)作機器人系統(tǒng)集成的理論指導(dǎo)。其次，以發(fā)動機裝配線在線檢測系統(tǒng)為研究對象，通過引入?yún)f(xié)作機器人，將手動工位改造為人機協(xié)作的自動檢測工位；再利用失效模式及影響分析(FMEA)對工作過程進行風(fēng)險分析，將安全方案設(shè)計與應(yīng)用開發(fā)同步進行，從而把安全高效的協(xié)作機器人系統(tǒng)部署到生產(chǎn)線中。

1 協(xié)作機器人技術(shù)規(guī)范解讀

協(xié)作機器人技術(shù)規(guī)范ISO/TS 15066是傳統(tǒng)工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)ISO 10218的補充，描述了人機協(xié)作的概念、術(shù)語，明確了協(xié)作機器人系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計要求，定義了協(xié)作操作的四種類型及相應(yīng)的安全措施，闡述了危害判定、風(fēng)險分析和風(fēng)險降低措施的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，提供了驗證和確認(rèn)方法以及用戶使用的詳細要求，可作為協(xié)作機器人系統(tǒng)集成和進行風(fēng)險評估的指導(dǎo)性文件。

對協(xié)作機器人技術(shù)規(guī)范進行解讀，歸納整理為如圖1所示的流程。

圖1 協(xié)作機器人應(yīng)用及風(fēng)險評估流程

每一個協(xié)作機器人應(yīng)用都需要一個合適的風(fēng)險評估。協(xié)作機器人應(yīng)用主要包括協(xié)作方案設(shè)計和控制方案設(shè)計，風(fēng)險評估過程主要包括風(fēng)險分析和降低風(fēng)險所采取的措施；任務(wù)與風(fēng)險相伴相生，人機協(xié)作系統(tǒng)預(yù)定的使用會引入風(fēng)險，可預(yù)見的誤用也會產(chǎn)生風(fēng)險。因此，必須經(jīng)過風(fēng)險分析，采取措施將風(fēng)險降低到可接受水平。

協(xié)作方案設(shè)計：明確協(xié)作單元執(zhí)行的任務(wù)，完成協(xié)作機器人系統(tǒng)與操作者之間的任務(wù)分配，選擇一個或多個適宜的協(xié)作模式，分析與任務(wù)相關(guān)的所有危險，進行工位布局設(shè)計等。

控制方案設(shè)計：參照工業(yè)機器人和機器人系統(tǒng)的準(zhǔn)則EN ISO 10218（包括 EN ISO 10218-1[8]和 EN ISO 10218-2[9]）。另外，ISO/TS 15066描述了機器人安全標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)，并規(guī)定了符合 EN ISO 10218 中要求的操作限制，定義了4 種協(xié)作操作及相應(yīng)的安全措施。ISO 13849-1[10]為設(shè)計和集成控制系統(tǒng)中安全相關(guān)的部件提供有關(guān)安全的要求和原理指南，要求安全功能首先由安全相關(guān)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

風(fēng)險評估：是風(fēng)險分析和風(fēng)險評價過程的綜述，這意味著要識別所有風(fēng)險并把風(fēng)險降低到適當(dāng)?shù)乃健f(xié)作機器人系統(tǒng)基于任務(wù)的風(fēng)險評估過程，從確定應(yīng)用系統(tǒng)所包含的任務(wù)和相關(guān)危害開始。EN ISO 12100中指出，危險與人的接觸、危害的嚴(yán)重性和避免傷害的可能性有關(guān)。在EN ISO 12018 中討論過，并在美國標(biāo)準(zhǔn)RIA TR R15.306[11]中描述了基于任務(wù)的風(fēng)險評估方法。

風(fēng)險降低措施：識別風(fēng)險并采取措施把風(fēng)險降低到可接受的水平。在EN ISO 12100中，按照優(yōu)先級順序描述了三種措施：首先，通過固有的安全設(shè)計，消除危險或減少風(fēng)險；其次，通過防護裝置和可能的附加保護措施，減小風(fēng)險；再次，通過使用信息的規(guī)定，減小風(fēng)險。

協(xié)作機器人應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與風(fēng)險評估過程需要相互關(guān)聯(lián)、相互融合?；谌蝿?wù)進行風(fēng)險評估，有助于識別伴隨任務(wù)可能產(chǎn)生的危害，有助于將安全措施在開發(fā)初期融入到方案設(shè)計過程中。筆者以協(xié)作機器人的技術(shù)規(guī)范作為理論指導(dǎo)和準(zhǔn)則，結(jié)合項目開發(fā)過程中的實踐和經(jīng)驗，將應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和風(fēng)險評估過程有機地聯(lián)系起來，進行了如下協(xié)作機器人裝配單元的安全方案設(shè)計。

2 協(xié)作機器人應(yīng)用設(shè)計及風(fēng)險評估

應(yīng)用舉例：在裝配線生產(chǎn)的發(fā)動機，需要對某一系統(tǒng)的連接件進行密封性檢測。

2.1 協(xié)作機器人應(yīng)用設(shè)計

原有的密封性檢測方法是人工利用檢測儀器進行泄漏檢測。該檢測過程需要操作者手持測試探頭移動到某個檢測點，保持一定的距離和一定的時間，以獲得該檢測點的檢測數(shù)值，進行合格與否判斷，并逐個完成所有檢測點的測試。采用人工檢測時，檢測探頭的位置無法精確控制，檢測時間也有一定的隨意性，因此很難獲得準(zhǔn)確、一致的檢測結(jié)果；并且，由于某些檢測點位置比較隱蔽，操作者需要低頭目視確認(rèn)其位置，不符合人機工程要求；此外，多個連接件的位置較為分散，由于節(jié)拍和操作空間的限制，人工檢測過程無法覆蓋所有的連接件；更重要的是，由于人工操作，測試過程存在漏檢或誤判的風(fēng)險。因此，需要能夠滿足生產(chǎn)使用要求的先進解決方案。

綜合分析檢測需求和使用現(xiàn)場環(huán)境條件，筆者引入?yún)f(xié)作機器人UR5，在不設(shè)防護圍欄的情況下安裝在當(dāng)前工位，將該手動檢測工位改造為人機協(xié)作的自動檢測工位，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。這樣也可將操作者從重復(fù)的操作中解放出來，充分發(fā)揮協(xié)作機器人的重復(fù)性和人的靈活性。

該自動檢測工位工作過程如下：

1)發(fā)動機隨自動化輸送線進入到協(xié)作機器人裝配工位，進行定位和姿態(tài)判斷；

2)自動化控制系統(tǒng)通過RFID讀寫器，從信息載體中讀取發(fā)動機類型和號碼信息；

3)自動化控制系統(tǒng)根據(jù)識別到的發(fā)動機類型信息，通知協(xié)作機器人系統(tǒng)執(zhí)行預(yù)定的作業(yè)任務(wù)；

4)機器人調(diào)用對應(yīng)的程序，攜帶檢測探頭以預(yù)先編制的軌跡和設(shè)定的速度移動到目標(biāo)位置；

5)檢測儀器開始對該連接件進行檢測，檢測數(shù)據(jù)回傳控制系統(tǒng)，判斷結(jié)果是否合格；

6)檢測完成后，機器人攜帶檢測探頭移動到下一個目標(biāo)位置，直至所有的作業(yè)任務(wù)完成；

7)機器人回到原位，檢測結(jié)果寫入信息載體，并傳輸?shù)缴衔粰C，發(fā)動機放行；

8)操作者負責(zé)工具的維護校準(zhǔn)，機器人工作點位的檢查，以及測試結(jié)果報警后進行復(fù)檢判斷。

該協(xié)作機器人系統(tǒng)采用兩種協(xié)作操作模式的組合：一是安全監(jiān)控停止，確保當(dāng)操作員無意中進入?yún)f(xié)作工作區(qū)時，機器人以“保護性停止”方式停止運動；二是功率和力限制，確保在檢測到機器人或末端執(zhí)行器碰撞力超限時，機器人停止。

2.2 協(xié)作機器人系統(tǒng)風(fēng)險評估

對協(xié)作機器人系統(tǒng)或者人員造成危害的問題均被認(rèn)為是安全問題。該協(xié)作機器人應(yīng)用的動態(tài)因素包括：工件的輸送、定位、更換或工件類型的切換，工具的更換，操作者和協(xié)作機器人系統(tǒng)之間的接觸或交互，協(xié)作機器人與附屬設(shè)施之間的相互作用。

經(jīng)過風(fēng)險分析可知，該應(yīng)用的風(fēng)險主要是接觸或碰撞，接觸或碰撞主要來源于協(xié)作機器人系統(tǒng)與工件之間，協(xié)作機器人系統(tǒng)與操作者之間，或協(xié)作機器人系統(tǒng)與工位環(huán)境之間。因此，安全措施要能夠精確定位工件位置、識別其型號，感知人員的存在及控制機器人的運動。為了減少使用環(huán)境中不可預(yù)見的危險，應(yīng)更加細致地進行工位設(shè)計和規(guī)劃，以避免或減少碰撞風(fēng)險。協(xié)作機器人系統(tǒng)的風(fēng)險分析及采取的安全措施見表1。

表1

2.3 風(fēng)險降低措施

2.3.1 布局設(shè)計

如機器人安全標(biāo)準(zhǔn)所述，機器人工作單元的布局對于降低危險性至關(guān)重要，安全方案設(shè)計的第一步是構(gòu)建協(xié)作機器人工作單元的整體布局。機器人作業(yè)單元布局設(shè)計實質(zhì)上是通過機械設(shè)計優(yōu)化機器人和周邊設(shè)備的相對位置關(guān)系，兼顧到設(shè)備形狀、工作空間、檢測點和工件傳輸?shù)纫蛩?，同時還考慮人員和機器人之間的交互活動。機器人作業(yè)單元的布局設(shè)計基于上述思路，重點是對協(xié)作機器人系統(tǒng)的工作區(qū)域進行劃分。

通過布局設(shè)計將工作區(qū)域劃分為操作者工作區(qū)（1）、人機協(xié)作工作區(qū)（2）以及機器人工作區(qū)（3）等區(qū)域（圖2）。

圖2 協(xié)作機器人作業(yè)單元的工作區(qū)域劃分

機器人工作區(qū)是布局設(shè)計的約束條件，所有的工作點必須位于人機協(xié)作工作空間內(nèi)，以確保機器人對所有工作點可達。

分配給操作者執(zhí)行任務(wù)的區(qū)域為操作者工作區(qū)。如果操作者接近機器人，則可以通過降低機器人速度來保證安全性。如果操作者進入?yún)f(xié)作工作空間，機器人則完全停止，以確保完全。

人機協(xié)作工作區(qū)是在生產(chǎn)操作期間機器人系統(tǒng)與人員可以同時執(zhí)行任務(wù)的空間，該空間作為操作空間的一部分，意味著機器人和人員共享一個通用的工作空間，并允許機器人和人員協(xié)同工作。在本應(yīng)用中，該空間指某一檢測點測試報警后，由操作者進入?yún)f(xié)作空間，對檢測點進行人工復(fù)檢確認(rèn)的空間。

工位布局設(shè)計在定義了三種工作空間的同時，還兼顧到操作者和協(xié)作機器人系統(tǒng)之間的交互、任務(wù)的有效分配、安全系統(tǒng)設(shè)計和人機界面 （HMI），本應(yīng)用將人機界面集中布置在操作者易于接近的一側(cè)。

協(xié)作機器人工位布局圖設(shè)計如圖3所示。

圖3 協(xié)作機器人工位布局圖

2.3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計協(xié)作機器人應(yīng)用系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于需要統(tǒng)籌兼顧系統(tǒng)的所有要素，這些要素包括：部件，如機器人、末端工具、安全傳感器等；工作過程，如機器人速度、工件狀態(tài)、工件傳輸?shù)?；還需要考慮工位環(huán)境、人為因素和前后工位的聯(lián)系，以及各個要素之間的相互作用、信息的交換和傳遞。

控制系統(tǒng)是設(shè)備的樞紐，控制和監(jiān)控設(shè)備的所有輸入、輸出，確保系統(tǒng)的正常運行，實現(xiàn)既定的功能和安全。安全相關(guān)控制功能規(guī)范ISO 13849-1中明確要求，安全功能首先由安全相關(guān)控制系統(tǒng)實現(xiàn)。因此，協(xié)作機器人的應(yīng)用和安全方案必然以控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行整合設(shè)計。

筆者所設(shè)計的自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，包括機器人控制層、工具控制層、工件控制層、人員監(jiān)控和工位環(huán)境監(jiān)控層，自動化控制系統(tǒng)作為上述幾個功能層級的核心和中樞，與機器人控制系統(tǒng)、工具控制系統(tǒng)通信，傳遞控制指令和機器人的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，實時檢測機器人和工具是否有故障，并在檢測到故障時及時停止機器人和工具的動作。機器人末端法蘭與工具以機械方式連接，并進行電氣校驗，對工具的型號進行識別。

圖4 協(xié)作機器人自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)

協(xié)作機器人系統(tǒng)的核心是用以完成作業(yè)任務(wù)的工具，通過工具的功能使用，完成工具和工件交互的預(yù)期目的，如本應(yīng)用的檢測功能，或者其他人機協(xié)作應(yīng)用中的擰緊、移動、拆卸、加熱或向部件的表面添加（如涂膠）等功能。對控制系統(tǒng)進行風(fēng)險評價分析，選擇滿足安全要求的部件來實現(xiàn)和改進系統(tǒng)耐故障的能力，如機器人本體和激光安全掃描儀，用符合規(guī)范結(jié)構(gòu)分類3的PL=d級要求的部件。

通過裝配線上的輸送托盤、停止器和定位器等裝置，控制系統(tǒng)實現(xiàn)對發(fā)動機工件位置的精確控制；通過RFID讀寫器，自動化控制系統(tǒng)獲取工件的型號信息。在機器人外圍設(shè)置安全激光掃描儀，用來監(jiān)控工位環(huán)境的安全狀況，感應(yīng)人員是否進入工作區(qū)域，并與聲光報警燈構(gòu)成工位環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。此外，控制系統(tǒng)設(shè)置緊急停止和安全停止。緊急停止關(guān)閉系統(tǒng)，并切斷其能量來源。安全停止僅停止運動并等待，直到安全操作得到保證?？傊?，選擇符合安全性能等級的部件，保證部件的本質(zhì)安全性和適用性；通過控制系統(tǒng)物理層的組織，使各個部件既能獨立工作，又能集中控制；通過通信網(wǎng)絡(luò)的鏈接，對部件工作狀態(tài)進行檢驗和監(jiān)控。

對于人機協(xié)作系統(tǒng)來說，機器人的運動控制非常重要。協(xié)作機器人的控制策略主要包括停止、速度控制、限制機器人的自由工作區(qū)域，以及設(shè)置末端關(guān)節(jié)的最大的力和力矩。通過ROS軟件設(shè)置虛擬柵欄，實現(xiàn)機器人工作范圍的限制；當(dāng)機器人達到此限制范圍，機器人必須停止；從三個方向限制機器人的工作區(qū)域，包括機器人基座左側(cè)區(qū)域，龍門架上方區(qū)域和低于料道水平面區(qū)域，防止機器人進入人員工作空間。

2.3.3 安全防護裝置

在風(fēng)險分析階段識別到的危險之一是操作者有意或意外地進入?yún)f(xié)作工作區(qū)或機器人工作區(qū)域，這些區(qū)域需要使用安全防護設(shè)備（如安全激光掃描儀等）進行保護。

安全激光掃描儀[12]的任務(wù)是對工作區(qū)進行劃分，感知人員的接近和停留，通過電氣安全信號觸發(fā)系統(tǒng)的安全功能。安全激光掃描儀探測設(shè)備周圍存在的障礙物，當(dāng)探測到障礙物后，系統(tǒng)將檢測到的信息發(fā)送給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)劃分的布局信息，給出機器人動作的指令，使其停止運動或者降低運動速度，其控制邏輯如圖5所示。

圖5 協(xié)作機器人安全監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯

定義安全激光掃描儀的識別范圍，使其與劃分的工作區(qū)域?qū)?yīng)。圖6是協(xié)作機器人工位的區(qū)域設(shè)置。

圖6 協(xié)作機器人工位的區(qū)域設(shè)置

在圖6中，區(qū)域A1是危險性最高的區(qū)域。該區(qū)域是用于工件測試的區(qū)域，如果機器人進行不可預(yù)知的運動，則人員不能以足夠快的速度離開。這種情況唯一的安全狀態(tài)是當(dāng)有人員位于該區(qū)域時機器人完全停止運動。

區(qū)域A2是協(xié)作區(qū)域，允許機器人與人員進行交互，并且安全激光掃描儀在持續(xù)監(jiān)控人的存在，以便使機器人處于安全監(jiān)控狀態(tài)。該安全功能用來確保人員進入?yún)f(xié)作工作區(qū)域并與機器人系統(tǒng)進行交互或執(zhí)行特定任務(wù)前，比如探頭末端與檢測點間距的檢查確認(rèn)或者更換探頭的濾芯時，機器人能停止動作。如果協(xié)作工作區(qū)域內(nèi)不存在人員，機器人可以工作在非協(xié)作狀態(tài)，否則必須觸發(fā)該功能使得機器人停止運動，隨后操作者才可以進入?yún)f(xié)作工作區(qū)。

當(dāng)人員進入A3區(qū)域時，若機器人在協(xié)作區(qū)域內(nèi)運動，則限制末端工具的最高運動速度為250mm/s。

2.3.4 使用信息

在人機協(xié)作系統(tǒng)中，人員與設(shè)備之間的有效反饋對于避免危險情況至關(guān)重要。若人員不知道機器的狀態(tài)，會意外或故意觸發(fā)安全系統(tǒng)。因此，本應(yīng)用通過指示燈、蜂鳴器等提供設(shè)備狀態(tài)信息，向人員傳達機器人的模式變化；在地面通過不同顏色進行標(biāo)示，提醒人員進入機器人系統(tǒng)的不同的工作區(qū)域，安全傳感器根據(jù)識別到的人員所在的區(qū)域，通過停止機器人或降低機器人末端工具的速度來確保操作員的安全；同時，設(shè)備的使能按鈕可供人員使用，以觸發(fā)機器人的模式更改。

3 結(jié)語

協(xié)作機器人本體是一個部分完成的機械，需要與工裝夾具、傳送裝置、檢測裝置等集成，并結(jié)合具體的應(yīng)用對象和應(yīng)用工藝進行開發(fā)，協(xié)作機器人的自動化、智能化才能發(fā)揮作用。

協(xié)作機器人系統(tǒng)的安全性取決于該機器人是如何集成的。協(xié)作機器人應(yīng)用的安全方案，需要通過風(fēng)險評估決定，并且在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計時執(zhí)行。依據(jù)協(xié)作機器人的技術(shù)規(guī)范，從工位布局、控制系統(tǒng)設(shè)計、安全防護和使用信息等方面出發(fā)，在系統(tǒng)的設(shè)計階段將安全問題考慮進去，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的安全。本文論述的協(xié)作應(yīng)用已經(jīng)在生產(chǎn)線上完成部署，并在實際生產(chǎn)過程中驗證了所設(shè)計的安全方案的有效性。

隨著工業(yè)4.0 的推進，協(xié)作機器人將會在汽車制造行業(yè)有更加廣泛的應(yīng)用。利用協(xié)作機器人的特性，讓協(xié)作機器人承擔(dān)操作者的重復(fù)性工作，可以拓展人機協(xié)作更多的應(yīng)用場景，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)與人機交互。