基于汽車生產(chǎn)案例的工業(yè)協(xié)作機(jī)器人安全性應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)研究

摘 要：工業(yè)協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用被認(rèn)為是解決所有安全自動(dòng)化問題的簡單方法，但越來越多的協(xié)作機(jī)器人是在沒有進(jìn)行深入分析的情況下安裝的。因此，以汽車電機(jī)印刷電路板（PCB）的生產(chǎn)為案例，分析工業(yè)協(xié)作機(jī)器人在生產(chǎn)制造過程中的有限空間下進(jìn)行汽車電機(jī)印刷電路板（PCB）的聯(lián)合生產(chǎn)和單元測試的可能性，并采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的手段針對(duì)協(xié)同機(jī)器人的安全性、效率、靈活性等方面進(jìn)行綜合評(píng)估，發(fā)現(xiàn)采用協(xié)作機(jī)器人的生產(chǎn)模式不僅無法提升生產(chǎn)效率，而且存在一定的生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)。工業(yè)協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用一定要經(jīng)過嚴(yán)密的設(shè)計(jì)和安全性分析，即使在特別安全的環(huán)境下，也要對(duì)員工進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；信息物理系統(tǒng)；工業(yè)機(jī)器人；協(xié)作機(jī)器人；安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；數(shù)據(jù)建模

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-0-02

0 引 言

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和信息物理系統(tǒng)（CPS）是推進(jìn)智能制造和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵核心技術(shù)，而工業(yè)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面發(fā)揮著重要作用[1]。特別是，工業(yè)協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)改變了生產(chǎn)線和柔性制造/組裝單元的整個(gè)概念，成為生產(chǎn)的有機(jī)組成部分，并且發(fā)揮著核心作

用[2]。在協(xié)作機(jī)器人架構(gòu)設(shè)計(jì)中必須引入新的安全標(biāo)準(zhǔn)[3]，以詳細(xì)說明這些機(jī)器人的應(yīng)用和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。協(xié)作機(jī)器人（Co-Robots， CoRs或CoBots）允許人類和機(jī)器人同時(shí)安全地參與到公共工作空間中，它可能不僅涉及機(jī)械手，還涉及能夠完成自主導(dǎo)航的移動(dòng)機(jī)器人[4-6]。本文以汽車電機(jī)的印刷電路板（PCB）的生產(chǎn)為案例，分析工業(yè)協(xié)作機(jī)器人在生產(chǎn)制造過程中的有限空間下進(jìn)行汽車電機(jī)印刷電路板（PCB）的聯(lián)合生產(chǎn)和單元測試的可能性，并采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的手段針對(duì)協(xié)同機(jī)器人的安全性、效率、靈活性等方面進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 案例建模

本部分針對(duì)生產(chǎn)單元的工作過程構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。該單元的目的是執(zhí)行汽車電機(jī)印刷電路板（PCB）的生產(chǎn)活動(dòng)，如圖1所示。該過程分為測試階段和生產(chǎn)階段，包括手工生產(chǎn)（即非協(xié)作機(jī)器人生產(chǎn)模式）與協(xié)作機(jī)器人兩種生產(chǎn)模式。在非協(xié)作機(jī)器人生產(chǎn)模式中分為兩個(gè)階段。第一階段，PCB的最終組裝。根據(jù)生產(chǎn)的需要，可以在三種不同的產(chǎn)品上進(jìn)行組裝，且這些產(chǎn)品可以以兩種不同的方式組裝。將兩個(gè)或三個(gè)（取決于型號(hào)）機(jī)械部件（通量冷凝器（FC））連接到PCB上的準(zhǔn)備位置（兩個(gè)相對(duì)或三個(gè)相鄰），每個(gè)位置用兩個(gè)M5螺釘連接。這些零件是相同的，可以提供一個(gè)共同的分配器。第二階段，兩種不同的電子測試在兩臺(tái)獨(dú)立的機(jī)器上進(jìn)行。測試機(jī)器的周期范圍是固定的（t=60～65 s），僅根據(jù)所需的工藝和產(chǎn)品略有變化。

生產(chǎn)過程中所有PCB都具有定位孔，可用于簡單的機(jī)械抓?。ㄗト】讟?biāo)記為G1、G2），整體的精度（直徑和位置）能夠滿足任務(wù)要求；并且它們都被放置在安全的地方，可以簡單實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取力的限制和對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)加速度的限制，以保護(hù)產(chǎn)品的脆弱部位。真空夾持也被認(rèn)為具有幾乎相同的可接受的效果，可以通過相同的機(jī)械方法，使用改進(jìn)的抓取爪來抓取FC的位置。在組裝和測試單元之間也有一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)單元，以規(guī)定等待時(shí)間。所有零件必須按照螺絲刀單元、T1（試驗(yàn)機(jī)1）和T2的工藝順序進(jìn)行。以某公司的PCB生產(chǎn)過程為例，該公司在布局安排和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)尚未確定的情況下，堅(jiān)持使用最初概念中規(guī)定的精確設(shè)備。但這項(xiàng)任務(wù)并不是單元中流程（測試和組裝）的自動(dòng)化，而是用更高水平的自動(dòng)化來改進(jìn)整個(gè)流程，使用相同的設(shè)備，使單元內(nèi)的物料流動(dòng)自動(dòng)化。在任務(wù)中將測試機(jī)器的排列改變?yōu)榻惶婺Ｊ剑云胶鈾C(jī)器人運(yùn)動(dòng)的路徑長度。在Process Simulation編程環(huán)境中對(duì)單元進(jìn)行重新定位和布局調(diào)整后進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖2所示）。通過分析發(fā)現(xiàn)，在協(xié)作方式的選擇、機(jī)器人的選擇以及機(jī)器人在單元中所扮演的角色等方面仍有許多問題。這對(duì)電池的安全性、初始成本、周期時(shí)間、可靠性、成本回報(bào)等許多重要方面都有影響。

2 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是常見的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)場景的安全性評(píng)估方法。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程包括迭代過程風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)降低，在風(fēng)險(xiǎn)大幅降低后，確定剩余風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。

本文構(gòu)建的協(xié)作機(jī)器人生產(chǎn)過程模型的具體實(shí)施步驟如下：第一步是識(shí)別在作業(yè)和其他活動(dòng)中可能發(fā)生的所有危險(xiǎn)。在機(jī)器人單元運(yùn)行過程中，最典型的危險(xiǎn)是機(jī)械性的，其他因素的影響如電、熱、振動(dòng)、噪聲也是很重要的，本文只考慮機(jī)械危害。第二步是確定所有涉及工人和機(jī)器人之間身體接觸風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)案例。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，可能的接觸分為準(zhǔn)靜態(tài)（連續(xù)）和瞬態(tài)（短范圍）接觸。對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)接觸，會(huì)產(chǎn)生對(duì)工作人員安全的峰值力和最大壓力值。在瞬態(tài)情況下，峰值力和最大壓力可能是靜態(tài)情況下的兩倍。如果在使用過程中，這些力（或壓力）超過規(guī)定的限制，則必須采用其他措施降低接觸的程度，包括被動(dòng)和主動(dòng)安全設(shè)計(jì)[10-11]，如增加接觸面的尺寸、消除尖銳的邊緣、平滑表面、使用可變形部件、在硬表面上填充或吸收能量以減少?zèng)_擊。主動(dòng)方法包括降低移動(dòng)部件的速度，使用分隔符或使用傳感器信號(hào)來預(yù)測和檢測可能的接觸。這些措施是在碰撞前系統(tǒng)基于控制的限制條件和基于工作空間監(jiān)測的傳感器或在碰撞后系統(tǒng)基于機(jī)器人集成傳感器而實(shí)現(xiàn)的[9， 12]。然而，即使應(yīng)用了這些方法，仍然存在對(duì)給定應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估執(zhí)行不當(dāng)?shù)膯栴}，機(jī)器人應(yīng)用仍然可能給操作員帶來危險(xiǎn)。因此，即使完全依據(jù)ISO/TS 15066標(biāo)準(zhǔn)也不能完全保證機(jī)器人的安全性，只有在設(shè)計(jì)正確的情況下才能保證盡可能安全應(yīng)用機(jī)器人。此外，這種安全意味著受傷的風(fēng)險(xiǎn)（甚至是嚴(yán)重的）仍然存在。知道這一點(diǎn)對(duì)于工人和機(jī)器人在根據(jù)PFL（功率和力限制）操作的混合環(huán)境中協(xié)作進(jìn)行小部件組裝是非常重要的。當(dāng)協(xié)作機(jī)器人不斷地與很多人一起工作時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估則是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在本案例的分析中，工人手臂、上半身和頭部更可能受傷。

如果機(jī)器人進(jìn)入工人的工作空間，機(jī)器人可能會(huì)與工人相撞；如果工人站在機(jī)器人和機(jī)器之間，工人可能會(huì)被擠壓。顯然，如果允許工人只進(jìn)入他們通常工作的適當(dāng)位置（零件堆棧、成品零件面板等），這種風(fēng)險(xiǎn)可以大大降低。但也可能發(fā)生導(dǎo)致壓扁損傷的準(zhǔn)靜態(tài)接觸。例如，工人的手會(huì)夾在機(jī)器人夾持器和堅(jiān)硬的表面（桌子、轉(zhuǎn)移板等）之間。目前，設(shè)計(jì)機(jī)器人僅用于簡單的半手動(dòng)零件供應(yīng)，但工人進(jìn)入機(jī)器人的工作空間是不可避免的。雖然合適的調(diào)色板轉(zhuǎn)換器或輸送機(jī)可以防止這種情況，但由于存在供應(yīng)、可用空間、適應(yīng)性和調(diào)度等問題，公司一般不采用這些方法。對(duì)于機(jī)器人的清洗和拆卸，應(yīng)該在斷電模式下正確執(zhí)行。正常檢查電池內(nèi)部的頻率不是基于電池的當(dāng)前狀態(tài)（例如堆疊已滿），而是由外部生產(chǎn)條件決定的。為了不破壞工廠外部的物料流動(dòng)，工人們必須根據(jù)整個(gè)生產(chǎn)線的調(diào)度來更換單元內(nèi)兩個(gè)棧中的托盤。這意味著只允許短時(shí)間延遲或不允許延遲。

3 結(jié) 語

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和信息物理系統(tǒng)（CPS）是推進(jìn)智能制造和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵核心技術(shù)，而工業(yè)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面發(fā)揮著重要作用。特別是，工業(yè)協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)改變了生產(chǎn)線和柔性制造/組裝單元的整個(gè)概念，成為生產(chǎn)的有機(jī)組成部分，并且發(fā)揮著核心作用。

在沒有深入分析的情況下在工業(yè)生產(chǎn)過程中安裝越來越多的協(xié)作機(jī)器人不僅無法提升生產(chǎn)效率，而且存在一定的生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)。本文以汽車電機(jī)印刷電路板（PCB）的生產(chǎn)為案例，分析工業(yè)協(xié)作機(jī)器人在生產(chǎn)制造過程中的有限空間下進(jìn)行汽車電機(jī)印刷電路板（PCB）的聯(lián)合生產(chǎn)和單元測試的可能性。由于可以選擇的機(jī)器和方法種類繁多，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)階段的預(yù)先規(guī)劃變得更加復(fù)雜。因此，與其僅僅使用協(xié)作機(jī)器人來簡化方法，還不如更全面地尋找最優(yōu)解。將所有的協(xié)作方法結(jié)合起來一起使用將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常安全的機(jī)器人環(huán)境。但是，無論使用何種安全方法，都不會(huì)百分之百安全。在設(shè)計(jì)這些環(huán)境時(shí)應(yīng)該始終經(jīng)過詳細(xì)的建模分析，即使在最安全的情況下，工人也必須接受專業(yè)的培訓(xùn)。

注：本文通訊作者為趙鄭斌。

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