協(xié)作機(jī)器人安全性的發(fā)展與實現(xiàn)綜述

李鴻濤，陳軍偉

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430000）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人在傳統(tǒng)制造模式中占據(jù)重要地位，其被應(yīng)用在獨立的場地環(huán)境與工作人員隔離，而隨著社會的發(fā)展，機(jī)器人與人之間更復(fù)雜靈活的交互協(xié)作要求的提升，協(xié)作機(jī)器人應(yīng)運而生。隨著對協(xié)作機(jī)器人的不斷研究，其便捷性和靈活性不斷提高，與人的協(xié)作工作將其優(yōu)勢體現(xiàn)得淋漓盡致，在越來越多的領(lǐng)域得到發(fā)展。在這個過程中，協(xié)作機(jī)器人的安全性始終放在第一位。相對于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人與人們共享工作空間，沒有“柵欄”約束的機(jī)器人增加了人們發(fā)生的安全風(fēng)險的可能性，因此，協(xié)作機(jī)器人需要有效的解決方案，保證機(jī)器人在與人協(xié)作過程中不會傷及人類[1]。本文圍繞協(xié)作機(jī)器人安全性問題，對協(xié)作機(jī)器人安全性實現(xiàn)的解決方法進(jìn)行闡述。

1 協(xié)作機(jī)器人

協(xié)作機(jī)器人作為一種新型機(jī)器人，相較于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，其特點在于與人類協(xié)同辦公，其應(yīng)用領(lǐng)域眾多，在智能制造、家庭服務(wù)、教育學(xué)習(xí)等領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景。其造型與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相仿，但是體積較小，重量較輕，更便于部署安裝，操作也更簡單靈活，即使負(fù)載不大也能滿足與人之間的協(xié)作要求。

隨著協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外眾多機(jī)器人廠商陸續(xù)發(fā)布了自己的機(jī)器人產(chǎn)品。在國外，Universal Robots（優(yōu)傲機(jī)器人）在2008 年推出了全球首款協(xié)作機(jī)器人UR5，其質(zhì)量較輕、體積較小、精度較高，在全球受到廣泛認(rèn)可（圖1），后又陸續(xù)推出UR10、UR3，近年來的E 系列的機(jī)器人精度更高交互更安全；知名的機(jī)器人四大家族Fanuc、Yaskawa、Kuka 以及ABB 也均有各自品牌下的協(xié)作機(jī)器人；Franka Emika的Panda 的所有關(guān)節(jié)均安裝扭矩傳感器，擁有精準(zhǔn)卓越的力控制。在國內(nèi)，隨著國家政策的大力支持，國內(nèi)的協(xié)作機(jī)器人也得到了良好的發(fā)展，為國產(chǎn)陣營注入活力[2]。例如，新松的SCR5 七自由度單臂機(jī)器人，遨博的AUBO i5，節(jié)卡的JAKA zu3，艾力特的EC612，大族的Elfin 等，相信未來會有更多的協(xié)作機(jī)器人出現(xiàn)在工業(yè)、商業(yè)以及生活服務(wù)中。

圖1 全球首款協(xié)作機(jī)器人UR5

2 協(xié)作機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)

隨著機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，它的制造與使用也必須遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，其意義在于為各廠家提供明確統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，使得用戶與廠家之間的責(zé)任劃分明確，利于市場的有序和產(chǎn)品的全球化。

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)ISO 10218 發(fā)布于2006 年，并在2011 年重新修訂為ISO 10218：2011，更適用于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，其中早已出現(xiàn)協(xié)作相關(guān)的定義，但是隨著越來越多協(xié)作機(jī)器人的實際應(yīng)用，越來越多的安全問題凸顯出來，不能使用該標(biāo)準(zhǔn)評判協(xié)作機(jī)器人的安全性。所以在2016 年發(fā)布了ISO/TS 15066，作為ISO 10218 的增添與補(bǔ)充，為協(xié)作機(jī)器人的操作提供了安全規(guī)范。

ISO/TS 15066 中對人機(jī)交互協(xié)作安全做出了明確的安全準(zhǔn)則：①安全級監(jiān)控停止，通過相機(jī)、激光雷達(dá)等進(jìn)行監(jiān)控協(xié)作空間內(nèi)操作人員的有無進(jìn)行機(jī)器人的啟停操作；②手動引導(dǎo)，機(jī)器人的運動依靠操作人員的牽引實現(xiàn)，機(jī)器人的運動使能以及速度均由操作人員控制；③速度和距離監(jiān)控，操作人員與機(jī)器人同處協(xié)作空間時，機(jī)器人與操作人員之間的距離在任何時刻均應(yīng)大于安全距離，而機(jī)器人速度降低時，安全距離也相應(yīng)減??；④功率和力限制，操作人員與機(jī)器人產(chǎn)生接觸時，通過對機(jī)器人的功率和力進(jìn)行限制以減小對人員的沖擊，避免危險的發(fā)生。

3 安全性的技術(shù)實現(xiàn)

隨著協(xié)作機(jī)器人切實融入人類工作與生活的各個方面，機(jī)器人安全性方面也有了長足進(jìn)步，從本體設(shè)計到機(jī)器人控制，再到發(fā)生碰撞時的檢測與應(yīng)對均有多種解決方案，這些方案在一定程度上解決了協(xié)作機(jī)器人的安全性問題。

3.1 本體設(shè)計

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的柔性設(shè)計可以降低機(jī)器人與外界事物產(chǎn)生碰撞時的傷害與危險，不管與其產(chǎn)生碰撞的是障礙物還是操作人員都行之有效。目前的柔性設(shè)計存在兩種方式：①軟體機(jī)器人；②驅(qū)動器柔性設(shè)計。第一種軟體機(jī)器人更多的是仿照自然界一些生物的外形進(jìn)行設(shè)計，其完全由柔性材料構(gòu)成，沒有多余的硬件結(jié)構(gòu)，這種機(jī)器人擁有優(yōu)秀的環(huán)境適應(yīng)能力、極高的安全性、良好的交互性。但是這類機(jī)器人的運動學(xué)和動力學(xué)分析過于復(fù)雜，精準(zhǔn)控制難以實現(xiàn)，目前還不適用于大規(guī)模的生產(chǎn)與使用。第二種即為柔性驅(qū)動器，這也是目前主流的設(shè)計方式，在驅(qū)動器中安裝儲能元件如彈簧、彈性元件等，這些元件的加入使驅(qū)動器有了可變剛度的特性；安裝耗能元件如阻尼器、磁流變流體等消除驅(qū)動器受沖擊時產(chǎn)生的長時間的振動[3-5]。目前柔性驅(qū)動器的種類有串聯(lián)彈性驅(qū)動器、變剛度驅(qū)動器、變阻尼驅(qū)動器、變慣量驅(qū)動器等。

機(jī)器人的本體設(shè)計從一開始就決定機(jī)器人的應(yīng)用場景與性能，盡管在強(qiáng)度方面人類相較于機(jī)器人仍是劣勢地位，但經(jīng)過柔性設(shè)計的機(jī)器人還是能夠在一定程度上減小碰撞發(fā)生時對人類造成的傷害。

3.2 機(jī)器人控制

協(xié)作機(jī)器人本就是與人類在共享空間中進(jìn)行協(xié)同作業(yè)而存在的，必定會存在與人類共同動作的情況，在這種情況下協(xié)作機(jī)器人優(yōu)良的控制性能夠滿足人類辦公的需要，同時也能更好地確保安全性的實現(xiàn)。

3.2.1 視覺伺服

視覺伺服控制系統(tǒng)主要包括視覺系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)以及機(jī)器人結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。顧名思義，視覺伺服就是以相機(jī)收集到的環(huán)境圖像為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的信息可以作為機(jī)器人判定自己所處環(huán)境中的位置或判斷與周圍障礙物相對位置，機(jī)器人利用這些信息完成自身的運動控制，實現(xiàn)軌跡規(guī)劃、避障、完成指定位姿等行為。目前視覺伺服應(yīng)用廣泛，但均為基于位置的視覺伺服、基于圖像的視覺伺服或混合視覺伺服。隨著計算機(jī)的發(fā)展與各種高精度相機(jī)的出現(xiàn)，視覺伺服也得到了廣泛發(fā)展。MARUTHUPANDI A 等[6]將PID 控制與視覺伺服相結(jié)合，實現(xiàn)了對機(jī)械臂的位置跟蹤；KEIGHOBADI J 等[7]在他們的研究中加入了自適應(yīng)控制算法，與基于位置的視覺伺服相結(jié)合，有效保證伺服系統(tǒng)的可靠性與適應(yīng)性。

3.2.2 多模態(tài)融合技術(shù)

隨著傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人獲取外界信息的方式也迅速增多，同樣一個事物，機(jī)器人可以通過視覺去看到，通過觸覺去感知到。而隨著技術(shù)的發(fā)展與要求的提升，單一的渠道獲取的信息已經(jīng)不足以讓機(jī)器人實現(xiàn)更高的性能，多模態(tài)融合技術(shù)的概念也隨之被提出。模態(tài)即為機(jī)器人收集數(shù)據(jù)的一種方式，多模態(tài)即為機(jī)器人同時擁有多種類型傳感器，將這些傳感器采集的信息進(jìn)行處理與融合，增強(qiáng)機(jī)器人環(huán)境的感知，對提高機(jī)器人安全性有重要意義。Zhang 等[8]針對材料感知方面的難題，提出融合視覺和觸覺兩個模態(tài)的框架，增加終身學(xué)習(xí)的背景，解決視覺與觸覺之間模態(tài)不同的障礙，提高材料感知能力。隨著深度學(xué)習(xí)的興起，模態(tài)的普適性經(jīng)過深度學(xué)習(xí)總結(jié)為多模態(tài)融合的常用公開的數(shù)據(jù)集，如M2VTS 數(shù)據(jù)集[9]。

3.2.3 高精度控制

協(xié)作機(jī)器人通常采用柔性設(shè)計，但是結(jié)構(gòu)柔性容易導(dǎo)致形變以及振動，這在實際應(yīng)用中引起更多復(fù)雜問題，增加了上層運動控制的復(fù)雜性，即便有確定的控制方案，實際應(yīng)用環(huán)境中的干擾因素也會使機(jī)器人的控制策略失效。因此如何實現(xiàn)機(jī)器人的高精度控制不僅僅是在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，只要采用柔性設(shè)計的機(jī)器人都需要考慮這個問題。

3.3 碰撞檢測

協(xié)作機(jī)器人與操作人員共享同一工作空間時，如何判斷機(jī)器人與人之間的距離是安全距離而有效避免發(fā)生碰撞一直是人機(jī)交互過程中需要解決的問題。實際上碰撞檢測可分為兩種情況：①碰撞未發(fā)生；②碰撞已發(fā)生。分別考慮機(jī)器人如何避免與人類發(fā)生碰撞，以及必要或非必要的碰撞發(fā)生時機(jī)器人的處理方法。從ISO/TS 15066 中的4 種安全標(biāo)準(zhǔn)也可以看出，前3 條標(biāo)準(zhǔn)即為防止機(jī)器人與人發(fā)生碰撞，真正區(qū)分協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的是第4 條。前3 條即便是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人具備一定的條件，經(jīng)過一定設(shè)施的加裝也能夠?qū)崿F(xiàn)安全距離的控制，第4 條從更底層的邏輯上實現(xiàn)機(jī)器人與人發(fā)生碰撞時如何減小對人產(chǎn)生的沖擊。

目前實現(xiàn)安全距離控制的方法大多通過非接觸式傳感器進(jìn)行環(huán)境感知實現(xiàn)，當(dāng)檢測到操作人員進(jìn)入共享空間時，機(jī)器人的速度將降低甚至停止；與此同時，操作人員的行為也同時會被機(jī)器人預(yù)測，降低與其發(fā)生碰撞的可能性。當(dāng)碰撞發(fā)生時，不管是必要的還是非必要的，機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的操作保護(hù)碰撞人員，首先就是本體設(shè)計，本文3.1 已經(jīng)對其進(jìn)行了介紹，其次在控制方面碰撞處理方法即碰撞識別與控制。機(jī)器人與操作人員發(fā)生碰撞時首先判定發(fā)生碰撞的位置以及力的大小，在這方面更多的是機(jī)器人立即停止，但是如果此時操作人員處于不利位置如死角位置，操作人員很難進(jìn)行接下來的自救行動，所以更加人性化的應(yīng)該是實現(xiàn)機(jī)器人的柔順控制。

4 結(jié)語與展望

本文首先簡單介紹了協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及國內(nèi)外在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展較好的廠商與產(chǎn)品；其次，對傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的安全標(biāo)準(zhǔn)以及針對協(xié)作機(jī)器人增加與補(bǔ)充的內(nèi)容進(jìn)行了簡單介紹與描述，區(qū)分協(xié)作機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人之間的不同特征；最后，針對協(xié)作機(jī)器人安全性的實現(xiàn)，從本體設(shè)計、機(jī)器人控制以及碰撞檢3 個方面進(jìn)行闡述。

毫無疑問，機(jī)器人從工業(yè)邁進(jìn)服務(wù)業(yè)最終走進(jìn)人類生活是必然的結(jié)果，機(jī)器人將成為人類生活的好幫手，只是目前安全性不足以及機(jī)器人門檻較高，遙想計算機(jī)剛出現(xiàn)的時候也是有著很大的局限性，但隨著科技的發(fā)展進(jìn)步也成功走進(jìn)家家戶戶。人機(jī)共融是未來機(jī)器人發(fā)展的方向，協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)預(yù)示著這條道路的開始，雖然目前距離協(xié)作機(jī)器人的廣泛普及還有很長一段路要走，但相信經(jīng)過從業(yè)人員的努力，協(xié)作機(jī)器人的安全性這一步一定能夠堅實地踏出。