一、協(xié)作機器人控制方案：

　　人機協(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，另一種則是基于機器人本體設計的內(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，人類與機器人協(xié)同工作時，都要在機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)控機器人的整個工作區(qū)域。

　　(2)輕量型設計方案：機器人本體輕量化

　　輕量型設計也是人機協(xié)作安全的一個可行方案，通過減輕機器人的機身重量，可以有效地降低其對人體的沖擊，從而確保人機協(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、核心技術為串聯(lián)彈性驅(qū)動器(SEA)，SEA包括一臺電機、一個齒輪箱和一個彈簧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力傳感器。

　　(4)力受限方案：運動控制系統(tǒng)

　　對于力受限的協(xié)同機器人進行風險評估時，如果機器人調(diào)試到合理的力量和速度，潛在傷害的嚴重程度可以降低。

　　例如Universal Robots公司的UR 系列機器人，其專利傳感器技術幫助其實現(xiàn)功率和力的限制功能。機器人知道使用多少力就足以提起負載并移動它，當它發(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，機器人手臂就會安全關斷不會造成傷害事故。

　　按照協(xié)作程度從低到高，學術界提出了四種人機協(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)；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)同應用中四種類型的防護原則進行了詳細說明。

　　二、各家協(xié)作機器人技術解剖

　　作為未來機器人的發(fā)展方向， 協(xié)同作業(yè)機器人領域競爭者越來越多。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)人機協(xié)同作業(yè)。然而，不同的企業(yè)在實現(xiàn)人機協(xié)作的安全性技術上也有不同。

　　1.發(fā)那科：雙重防碰撞安全檢測技術

　　FANUC獨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)動雙鏈急停電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和結果檢查，可在機器人周邊實現(xiàn)虛擬區(qū)域檢測和速度檢測等功能。

　　此功能可在人機作業(yè)的環(huán)境中，在機器人周邊構成一個虛擬的安全作業(yè)區(qū)域，當人員進入到此區(qū)域且發(fā)經(jīng)由傳感器發(fā)出訊號時，機器人暫停當前的工作，進而達到保護人員，避免受到傷害的情況。

　　當機器人在運作時，四周不需要安全圍欄，在無外界干預時機器人全速運行，信號燈以綠色表示；當人員進入預警區(qū)時，機器人速度減慢，信號燈顯示黃色；當人員進入危險區(qū)，會對人員造成傷害時，機器人緊急停止，信號燈以紅色表示。

　　同時，DCS還能提供安全總線功能，DCS是一種符合SIL認證的安全功能，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

　　優(yōu)傲的UR系列機器人重量只有18kg，其專利傳感器技術幫助其實現(xiàn)功率和力的限制功能。UR機器人能夠監(jiān)控電機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機器人知道使用多少力就足以提起負載并移動它，當它發(fā)現(xiàn)移動過程中所需的力矩或者力過高，例如在發(fā)生碰撞事故時控制，機器人手臂就會安全關斷不會造成傷害事故。此外，UR系列機器人的控制系統(tǒng)有冗余設置，所以任何危險失效都會使機器人在安全狀態(tài)下停機。

　　3.ABB：YUMI搭載傳感器和機器視覺

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

　　4.ReThink：Baxter系列彈性執(zhí)行器SEA

　　Baxter的設計使其無需價格高昂的編程，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在減速器與負載之間加入了彈簧作為力矩傳遞機構，與傳統(tǒng)的剛性關節(jié)相比，它可以通過測量與負載直接連接的彈簧形變量，計算負載端作用力，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結構具有更好的抗外力沖擊能力，更符合人機作業(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入機器人作業(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還配備了對碰撞進行檢測和響應的系統(tǒng)，確保機器人不會夾傷、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機器人和單臂SIA機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行監(jiān)控。

　　Motoman機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)人員是否進入機器人作業(yè)區(qū)域，并通知機器人手臂減速或者停止。控制器對信號進行處理，然后對執(zhí)行器的行為和速度進行變更，安全傳感器用來確定靠近的人員的位置，當人進入機器人的作業(yè)區(qū)域控制，功能安全單元就會自動降低機器人的速度，通過監(jiān)控速度和間隔距離來實現(xiàn)人機協(xié)同作業(yè)的。

　　此外，Motoman機器人安全傳感器內(nèi)置有失效安全功能，信號會發(fā)送給機器人控制器中的兩個不同區(qū)域，在不同的硬件上采用不同的算法對這兩個獨立的信號分別進行處理，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果是觸發(fā)，那么系統(tǒng)就會進入安全模式。

　　值得一提的是，Motoman機器人控制器通過了第三方認證，按照標準實現(xiàn)功能安全，用以確保冗余等級。

　　6.博世：協(xié)作機器人外衣APAS

　　因為具有機器人保護皮衣APAS ，博世的協(xié)作機器人被認為是最安全的協(xié)作機器人。這個外衣其實是觸覺檢測裝置。由于機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)的力時給控制器提供即時反饋。

　　博世的機器人同時還有安全距離保護，當檢測到人靠得太近時，其會自動降低運行速度，相當于隱形的防護網(wǎng)。在人離開該區(qū)域后，機器人會自動恢復正常速度。該裝置在獲取德國雇主責任保險協(xié)會認證的過程中肯定經(jīng)歷了各種極端的測試。