协作机器人：为生产力和安全而设计

工业机器人在工厂中很常见，因为它们为重复性、大批量装配线任务提供了体力劳动者的有效替代方案。机器可以连续多年重复执行高精度任务，而只是偶尔中断日常维护。提高生产力确保了初始高资本投资的回报。

但相对低成本的人工仍然是小批量、高混合、复杂装配工作的最佳选择，因为他们灵巧、灵活，并且可以解决可能导致机器停机的问题。协作机器人——轻型、紧凑且相对便宜的全尺寸工业机器人的近亲——现在被引入以将机器人的优势与人类的资产相结合。然而，由于协作机器人与人类共享工作空间，新的工程技术必须在保证工人安全的同时最大限度地提高生产力。让我们来看看协作机器人和人类如何作为同事进行协作。

共享工作区

协作机器人填补了制造环境中的一个利基市场，在这个环境中，产品组合正在整合，产量增加，但没有达到完全自动化的程度。协作机器人可以进行零件的拣选、提升和抓取以及重复的常规动作，而人类则可以处理该过程中复杂的制造和智力挑战。

协作并不是传统工业机器人的自然延伸。国际标准化组织 (ISO) 将工业机器人定义为“一种自动控制、可重新编程、多用途的机械手，可在三个或更多轴上编程，可以固定到位或移动以用于工业自动化应用。” 该描述适合专为在没有人工帮助的情况下实现最大生产力而设计的机器。

毫不奇怪，自从 1970 年代引入工业机器人以来，工厂车间的一个部门一直是其大批量应用的安全自动化的要求。今天，工人远离，机器被封闭在金属屏障后面，以消除快速移动和重型机械部件带来的危险（图 1）。当有人或某物穿过光束或通过打开屏障触发开关时，基本的外部传感器技术会引发工业机器人的紧急停止。当技术人员有意进入机器人的操作范围进行维护或重新编程时，机器会断电，手臂锁定在安全位置。

最大限度地提高速度、强度和精度对于协作机器人仍然很重要，但为了最大限度地发挥协作工作的优势，人类和机器人需要协调工作。为了证明引入协作机器人的合理性，它的成本必须不超过相当于人工的成本。如果人类同事仍然将之前的两到三个工件组装在一起，那么将零件移动到位并添加快干粘合剂的机器人几乎没有价值。但更重要的是，协作机器人必须不断了解人类的位置、移动方式以及接触时（无论是有意还是无意）所施加的力，以确保安全工作。

协作机器人的关键设计目标可以概括为：

• 与人类工人和精密装配设备的安全互动
• 降低成本以证明使用机器人劳动力应用的合理性
• 以与人类能力相适应的速度进行机器人操作
• 清洁和低噪音操作
• 紧凑轻巧的外形
• 由非专业工人进行简单快速的编程，以应对多品种生产

协作机器人系统设计指南

协作机器人设计的关键因素与机器和人类共享相同工作空间的事实有关（图 2）。设计人员需要确保效率高，并且协作机器人不断意识到其同事有时不可预测的动作并能够安全地做出反应。设计人员还需要确保协作机器人在其与人类之间有意或无意的接触时不会施加过大的力。这增加了复杂性。与安全系统不是机器人固有部分的工业机器人不同，协作机器人包含通常集成到其结构中并由其系统控制的安全系统。

幸运的是，针对这些设计挑战的指导以协作机器人的国际安全标准的形式出现，这些标准是与这些机器人在工作场所的快速引入同时制定的。例如，ISO 在其ISO 10218文档中提供了一些设计协作机器人的指南。该组织创建的技术规范 (TS) ISO/TS 15066 侧重于协作机器人的安全性。ISO/TS 15066 强调了与安全相关的控制系统完整性在控制过程参数（如速度和力）方面的重要性。（注：ISO/TS 15066 是一个自愿性文件，不是标准。但是，它有望成为未来标准的基础。）

ISO/TS 15066 还提供了供协作机器人设计者使用的一般信息，例如解释需要对工作空间中的危害进行风险评估的信息。例如，即使是最好的机器人设计也不能被认为是安全的，如果它允许机器人用它的机械手围绕一个尖锐的物体挥动。在另一个示例中，如果工作空间被固定物体封闭，导致工人被困然后被机器人运动压碎，则工作空间可能很危险。

ISO/TS 15066 的关键部分涉及工作空间的设计、机器人操作的设计以及机器人协作和非协作操作之间的转换。具体来说，该文件提供了实现以下协作操作要求的详细信息，从而创建了满足上述设计目标的安全、高效的解决方案：

安全等级监控停止

安全等级的监控停止是在不切断电源的情况下确保机器人停止，并在人类工作人员进入协作工作区时发生。该系统确保机器人和人类不会同时移动，主要用于机器人在工作空间中快速移动重型部件时使用。

在开始手动操作之前，机器人必须执行安全级别的监控停止。在操作过程中，工人与机械臂直接接触，并可以使用手动控制来移动它。此操作用于提升辅助或高度可变的工具应用。

速度和分离监测

这种协作工作方法可能是最相关的，因为它允许操作员和协作机器人通过为协作机器人配备传感器来监控工人的接近度，从而在工作场所内同时移动。在较大的间隔中，协作机器人继续以中等速度运行，但在更接近时，协作机器人会降低其速度。在非常接近的情况下，它会达到一个完整的安全等级监控停止。

力量和力量限制

当协作机器人（或任何工件）和工作人员都在协作工作空间中时，在应用中需要限制功率和力。接触可以是准静态的，例如将工人身体的一部分夹在协作机器人的机械手和固定物体之间，也可以是瞬态的，例如撞到同事身体的某个部位，工人可以后坐。

设计安全挑战

通过对成本、尺寸和复杂性进行一些调整，协作机器人设计人员可以将现有的工业机器人技术用于某些系统，同时仍然可以实现前面描述的工作方法。例如，安全等级监控停止是工业机器人的一项成熟技术，当人类进入操作范围时，它使用安全屏障实现紧急停止。

速度和分离监控需要新的工程技术，考虑到工业机器人的设计目的是在有人闯入工作区时完全停止。相比之下，当工人共享工作空间时，协作机器人将继续移动，尽管速度会降低，除非方法足够接近以触发安全等级的监控停止。实施此类系统的关键是将传感器集成到协作机器人的控制系统中，以便在需要减速时，闭环反馈能够实现快速的电机响应。

但最困难的设计挑战是功率和力限制。设计师可以从工业机器人设计中学到很少的东西，因为它的重点是负载能力和速度。ISO/TS 15066 的附件通过建议对疼痛阈值的准静态和瞬态力以及人类的轻微、可逆和不可逆损伤阈值的限制来提供帮助。瞬态力阈值可能是准静态力阈值的两倍，因为它们发生在较短的时间范围内，并且工人可以后坐力。

尽管关于疼痛和损伤阈值的研究仍在继续，但目前的指南建议通过在速度和分离监测操作期间将协作机器人的速度降低到低于 250mm/s 并将其力降低到低于 150N 来降低夹紧风险。但是，瞬态力可以是两倍高，但施加时间不得超过 500 毫秒。

达到这些门槛具有挑战性。例如，一个 2kg 的机械臂承载 0.5kg 的负载并以 1m/s 的速度移动，如果发生意外接触，必须以 60m/s2 的速度减速，以将其破碎力限制在 150N 以下。在那个时候，手臂会移动8mm，这对于协作操作来说是可以接受的。承载 3kg 负载的相同机械臂需要以 19m/s2 的速度减速，以将其压碎力限制在 150N 以下，在此期间它会移动 27mm（这对于填充物来说是可以接受的）。此示例说明机器人设计人员必须考虑由具有不同有效载荷和移动速度能力的协作机器人产生的不同动态力。

ISO 指南中的其他建议包括：

• 消除机器人上的夹点和挤压点
• 减少机器人惯性和质量
• 当机器人接近固定表面时降低机器人速度，使其可以快速停止
• 增加接触点的表面积
• 组织工作空间布局以限制夹紧点并允许在瞬态碰撞后反冲

案例研究：协作机器人关节

协作机器人设计的一个主要挑战是设计轻巧、紧凑的关节，这些关节可以对作用在机械手上的力（例如与同事的撞击）做出快速反应，以消除受伤的风险。

谐波齿轮正受到小型机器人的青睐，因为与传统啮合齿轮相比，它们使设计人员能够减小关节尺寸和重量（图 3）。然而，由于谐波齿轮使用挠性在输入和输出之间传递运动，因此与啮合齿轮替代品相比，该关节表现出较低的旋转刚度。

缺乏刚度给协作机器人设计者带来了一个问题，因为检测人和机器人之间的碰撞的首选方法是通过电机电流产生的变化，也就是说，由于碰撞产生的力导致电机扭矩成比例变化. 但是缺乏刚度会导致力在对电机扭矩产生任何影响之前将接头中的松弛部分收起。其结果是在控制器检测到电机电流增加并可以通过减慢、停止或反转操纵器来响应冲击之前出现时间滞后。这样的延迟可能会导致同事受到大于建议的 500 毫秒瞬时冲击时间和 300N 的最大冲击力。

机械解决方案是使用更大的谐波齿轮来提高刚度，但这会增加机器人关节的尺寸和重量。另一种方法是使用双高分辨率编码器和软件算法。这样的解决方案会导致少量的成本增加，但不会增加接头的尺寸或增加其重量。

关节输入侧和输出侧的编码器将为控制器提供实时测量，以测量机器人的实际位置和编程位置之间任何缺乏​​刚度引起的旋转偏差。控制器可以快速计算误差的一阶补偿，消除系统的松弛，并确保通过增加的电机扭矩立即检测到对机械手的有意或无意的影响。

结论

协作机器人在与人类共享的工作空间中留下了自己的印记，将机器人的肌肉与人类的灵巧相结合，解决问题的能力正在显着提高生产力。工厂经理最近才开始意识到协作机器人可以执行的装配应用程序的数量——目前完全由人工完成。这就是为什么协作机器人的影响预计会增加的原因，预计到 2025 年增长预期将大致等于当今工业机器人总量的规模。

但这项技术还为时过早，工程师们现在了解到，只有工程工业机器人中使用的一些设计技术真正适用于他们的协作表亲。需要一种新的设计方法来确保协作机器人在同事周围保持安全，同时仍然为工作带来速度、精度和负载处理优势。

设计协作机器人是一门新兴学科，几乎没有可借鉴的指导。但是，在将第一波模型引入工作场所的同时，正在制定协作机器人的国际安全标准。ISO 10218 标准为协作机器人提供了具体的指导方针，而 ISO/TS 15066 为协作操作建立了安全参数。供应商正在尽自己的一份力量，将电子设备和传感器与先进的机械组件结合起来，以创建新的关键组件，例如专门针对协作机器人在日常工作、操作和交互过程中的独特需求而设计的专用关节。

审核编辑：符乾江