一、協(xié)作機(jī)器人控制方案：

人機(jī)協(xié)作的安全控制方案無非兩種，一種是基于外部監(jiān)控的外部控制系統(tǒng)方案，另一種則是基于機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的內(nèi)部控制系統(tǒng)方案。

（1）區(qū)域監(jiān)控方案：激光距離傳感器安全光幕

大部分情況下，人類與機(jī)器人協(xié)同工作時(shí)，都要在機(jī)器人或者其所在的環(huán)境中安裝激光距離傳感器等，用于監(jiān)控機(jī)器人的整個(gè)工作區(qū)域。

（2）輕量型設(shè)計(jì)方案：機(jī)器人本體輕量化

輕量型設(shè)計(jì)也是人機(jī)協(xié)作安全的一個(gè)可行方案，通過減輕機(jī)器人的機(jī)身重量，可以有效地降低其對人體的沖擊，從而確保人機(jī)協(xié)作的安全。

（3）“本質(zhì)安全”方案：彈性驅(qū)動系統(tǒng)

Rethink Robotiecs公司的Baxter采用彈性驅(qū)動，相比于剛性驅(qū)動，彈性驅(qū)動更加符合安全要求，就像被彈簧彈中和被硬物擊中的差別一樣、核心技術(shù)為串聯(lián)彈性驅(qū)動器（SEA），SEA包括一臺電機(jī)、一個(gè)齒輪箱和一個(gè)彈簧SEA的工作方式是通過測量彈簧的壓縮量來控制力的輸出，對于彈簧壓縮量的測量就是一個(gè)力傳感器。

（4）力受限方案：運(yùn)動控制系統(tǒng)

對于力受限的協(xié)同機(jī)器人進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，如果機(jī)器人調(diào)試到合理的力量和速度，潛在傷害的嚴(yán)重程度可以降低。

例如Universal Robots公司的UR 系列機(jī)器人，其專利傳感器技術(shù)幫助其實(shí)現(xiàn)功率和力的限制功能。機(jī)器人知道使用多少力就足以提起負(fù)載并移動它，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)移動過程中所需的力矩或者力過高，例如在發(fā)生碰撞事故時(shí)，機(jī)器人手臂就會安全關(guān)斷不會造成傷害事故。

按照協(xié)作程度從低到高，學(xué)術(shù)界提出了四種人機(jī)協(xié)作方式（Methods），分別是：Safety-rated monitored stop（安全級監(jiān)控停止）；Hand guiding（手動引導(dǎo)）；Speed and separaTIon monitoring（速度和距離監(jiān)控）；Power and force limiTIng（功率和力限制）。而 ISO/TS 15066對協(xié)同應(yīng)用中四種類型的防護(hù)原則進(jìn)行了詳細(xì)說明。

二、各家協(xié)作機(jī)器人技術(shù)解剖

作為未來機(jī)器人的發(fā)展方向， 協(xié)同作業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域競爭者越來越多。各企業(yè)都通過硬件或者軟件，抑或兩者兼?zhèn)涞姆绞酱_保其系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)協(xié)同作業(yè)。然而，不同的企業(yè)在實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的安全性技術(shù)上也有不同。

1.發(fā)那科：雙重防碰撞安全檢測技術(shù)

FANUC獨(dú)有的雙重安全檢測功能（英文全稱Dual Check Safety，簡稱DCS），為FANUC軟件的安全功能，由雙CPU驅(qū)動雙鏈急停電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和結(jié)果檢查，可在機(jī)器人周邊實(shí)現(xiàn)虛擬區(qū)域檢測和速度檢測等功能。

此功能可在人機(jī)作業(yè)的環(huán)境中，在機(jī)器人周邊構(gòu)成一個(gè)虛擬的安全作業(yè)區(qū)域，當(dāng)人員進(jìn)入到此區(qū)域且發(fā)經(jīng)由傳感器發(fā)出訊號時(shí)，機(jī)器人暫停當(dāng)前的工作，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)人員，避免受到傷害的情況。

當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)作時(shí)，四周不需要安全圍欄，在無外界干預(yù)時(shí)機(jī)器人全速運(yùn)行，信號燈以綠色表示；當(dāng)人員進(jìn)入預(yù)警區(qū)時(shí)，機(jī)器人速度減慢，信號燈顯示黃色；當(dāng)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)，會對人員造成傷害時(shí)，機(jī)器人緊急停止，信號燈以紅色表示。

同時(shí)，DCS還能提供安全總線功能，DCS是一種符合SIL認(rèn)證的安全功能，以總線形式連接（包括：Ethnernet IP以太網(wǎng)模塊、Devicenet模塊、Profinet模塊），線路簡單且安全。

2.優(yōu)傲：專利傳感器和軟件技術(shù)

優(yōu)傲的UR系列機(jī)器人重量只有18kg，其專利傳感器技術(shù)幫助其實(shí)現(xiàn)功率和力的限制功能。UR機(jī)器人能夠監(jiān)控電機(jī)的電流和編碼器的位置，通過電流和位置數(shù)據(jù)，推算出力。

UR機(jī)器人知道使用多少力就足以提起負(fù)載并移動它，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)移動過程中所需的力矩或者力過高，例如在發(fā)生碰撞事故時(shí)控制，機(jī)器人手臂就會安全關(guān)斷不會造成傷害事故。此外，UR系列機(jī)器人的控制系統(tǒng)有冗余設(shè)置，所以任何危險(xiǎn)失效都會使機(jī)器人在安全狀態(tài)下停機(jī)。

3.ABB ：YUMI搭載傳感器和機(jī)器視覺

硬件上，YUMI擁有一付輕量化的剛性鎂鋁合金骨架以及被軟性材料包裹的塑料外殼，能夠很好 地吸收對外部的沖擊。

軟件上，YUMI有運(yùn)動速度和功率限制的設(shè)計(jì)，當(dāng)它與工人或其他物體接觸時(shí)，內(nèi)置的傳感器就能檢測到。當(dāng)類似接觸發(fā)生時(shí)，速度和功率限制將使得碰撞能量不足以造成嚴(yán)重傷害。此外，YUMI還配備了視覺系統(tǒng)，使其可以在開放環(huán)境中進(jìn)行工作。

4.ReThink：Baxter系列彈性執(zhí)行器SEA

Baxter的設(shè)計(jì)使其無需價(jià)格高昂的編程，就可以在常規(guī)狀態(tài)下安全地與工人協(xié)同作業(yè)。Baxter號稱“本質(zhì)安全”，而這都源于串聯(lián)彈性驅(qū)動器（SEA）。

據(jù)悉，SEA在減速器與負(fù)載之間加入了彈簧作為力矩傳遞機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)相比，它可以通過測量與負(fù)載直接連接的彈簧形變量，計(jì)算負(fù)載端作用力，通過將力矩控制轉(zhuǎn)化為彈簧形變量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的力矩控制。 此外，彈簧使得SEA結(jié)構(gòu)具有更好的抗外力沖擊能力，更符合人機(jī)作業(yè)的力控制模式。

除了SEA， Baxter還內(nèi)置用于判斷檢測人員是否進(jìn)入機(jī)器人作業(yè)區(qū)域的聲吶傳感器和攝像頭傳感器，還有用于實(shí)現(xiàn)障礙物檢測的集成視覺。力傳感器能夠控制力的大小并完成位置控制，通過控制機(jī)器人的速度以確保它不會對任何人帶來傷害。Baxter還配備了對碰撞進(jìn)行檢測和響應(yīng)的系統(tǒng)，確保機(jī)器人不會夾傷、壓傷和撞傷作業(yè)人員。

5.安川：基于控制的協(xié)同作業(yè)

安川的Motoman系列雙臂SDA機(jī)器人和單臂SIA機(jī)器人采用了具有安全等級的受控制動。在某些情況下，它們也對速度和間隔距離進(jìn)行監(jiān)控。

Motoman機(jī)器人的功能安全選配單元上采用了具有安全等級的受控制動組件，后者位于機(jī)器人的控制器上。外部安全激光傳感器可以發(fā)現(xiàn)人員是否進(jìn)入機(jī)器人作業(yè)區(qū)域，并通知機(jī)器人手臂減速或者停止?？刂破鲗π盘栠M(jìn)行處理，然后對執(zhí)行器的行為和速度進(jìn)行變更，安全傳感器用來確定靠近的人員的位置，當(dāng)人進(jìn)入機(jī)器人的作業(yè)區(qū)域控制，功能安全單元就會自動降低機(jī)器人的速度，通過監(jiān)控速度和間隔距離來實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的。

此外，Motoman機(jī)器人安全傳感器內(nèi)置有失效安全功能，信號會發(fā)送給機(jī)器人控制器中的兩個(gè)不同區(qū)域，在不同的硬件上采用不同的算法對這兩個(gè)獨(dú)立的信號分別進(jìn)行處理，這兩組軟件和硬件會相互核對，如果任何一組軟硬件給出的結(jié)果是觸發(fā)，那么系統(tǒng)就會進(jìn)入安全模式。

值得一提的是，Motoman機(jī)器人控制器通過了第三方認(rèn)證，按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)功能安全，用以確保冗余等級。

6.博世：協(xié)作機(jī)器人外衣APAS

因?yàn)榫哂袡C(jī)器人保護(hù)皮衣APAS ，博世的協(xié)作機(jī)器人被認(rèn)為是最安全的協(xié)作機(jī)器人。這個(gè)外衣其實(shí)是觸覺檢測裝置。由于機(jī)器人和人類一起工作，這些傳感器能夠在檢測到任何非常規(guī)的力時(shí)給控制器提供即時(shí)反饋。

博世的機(jī)器人同時(shí)還有安全距離保護(hù)，當(dāng)檢測到人靠得太近時(shí)，其會自動降低運(yùn)行速度，相當(dāng)于隱形的防護(hù)網(wǎng)。在人離開該區(qū)域后，機(jī)器人會自動恢復(fù)正常速度。該裝置在獲取德國雇主責(zé)任保險(xiǎn)協(xié)會認(rèn)證的過程中肯定經(jīng)歷了各種極端的測試。