协作机器人系统集成及安全方案研究

朱二欣

（大众一汽发动机（大连）有限公司，辽宁大连，116600）

0 引言

“智能制造”是未来制造业的发展趋势[1]，这其中，工业机器人作为智能制造的基础装备，将发挥愈发重要的作用。

在传统制造模式中，工业机器人被应用在结构化环境中，其工作空间通过安全围栏严格与人隔离，在满足安全使用要求的同时，也限制了机器人与人的接触和互动[2]。智能的、柔性的自动化生产，越来越多地面临人机共存的非结构化环境。机器人有高精度和重复性等特点，人类在认知和灵活性方面更擅长，将两者相结合，人机协作模式应运而生。然而，由于缺乏物理围栏的防护，协作机器人系统更容易“裸露”。同时，人机协作需要人员和机器人工作在共同的工作空间，这又增加了风险发生的可能性。因此，根据安全规范和现场使用要求，协作机器人应用需要具备安全的解决方案，确保协作机器人在动态不确定的环境中能够高效安全地运行[3]。

当前，汽车行业不断涌现出协作机器人的应用案例，如华晨宝马汽车有限公司采用协作机器人进行汽车仪表在线质量检测[4]，上汽通用汽车有限公司基于协作机器人开发汽车玻璃涂胶工作站[5]。尽管协作机器人的应用越来越广泛，但协作机器人系统集成尤其是安全方案相关的研究却比较少见。调查研究表明，协作机器人系统集成的规划设计和安全方案评估，是协作机器人系统在工业环境中应用的两大挑战[6]。基于上述原因，有必要对协作机器人系统应用和安全方案设计进行研究。

协作机器人的技术规范ISO/TS 15066[7]提供了安全方案的准则和依据，是协作机器人应用的重要指导文件。本文首先对该技术规范进行解读，将其梳理为应用系统设计和安全方案评估两个相互关联的过程，以此作为协作机器人系统集成的理论指导。其次，以发动机装配线在线检测系统为研究对象，通过引入协作机器人，将手动工位改造为人机协作的自动检测工位；再利用失效模式及影响分析(FMEA)对工作过程进行风险分析，将安全方案设计与应用开发同步进行，从而把安全高效的协作机器人系统部署到生产线中。

1 协作机器人技术规范解读

协作机器人技术规范ISO/TS 15066是传统工业机器人标准ISO 10218的补充，描述了人机协作的概念、术语，明确了协作机器人系统应用的设计要求，定义了协作操作的四种类型及相应的安全措施，阐述了危害判定、风险分析和风险降低措施的标准和规则，提供了验证和确认方法以及用户使用的详细要求，可作为协作机器人系统集成和进行风险评估的指导性文件。

对协作机器人技术规范进行解读，归纳整理为如图1所示的流程。

图1 协作机器人应用及风险评估流程

每一个协作机器人应用都需要一个合适的风险评估。协作机器人应用主要包括协作方案设计和控制方案设计，风险评估过程主要包括风险分析和降低风险所采取的措施；任务与风险相伴相生，人机协作系统预定的使用会引入风险，可预见的误用也会产生风险。因此，必须经过风险分析，采取措施将风险降低到可接受水平。

协作方案设计：明确协作单元执行的任务，完成协作机器人系统与操作者之间的任务分配，选择一个或多个适宜的协作模式，分析与任务相关的所有危险，进行工位布局设计等。

控制方案设计：参照工业机器人和机器人系统的准则EN ISO 10218（包括 EN ISO 10218-1[8]和 EN ISO 10218-2[9]）。另外，ISO/TS 15066描述了机器人安全标准的当前技术状态，并规定了符合 EN ISO 10218 中要求的操作限制，定义了4 种协作操作及相应的安全措施。ISO 13849-1[10]为设计和集成控制系统中安全相关的部件提供有关安全的要求和原理指南，要求安全功能首先由安全相关的控制系统实现。

风险评估：是风险分析和风险评价过程的综述，这意味着要识别所有风险并把风险降低到适当的水平。协作机器人系统基于任务的风险评估过程，从确定应用系统所包含的任务和相关危害开始。EN ISO 12100中指出，危险与人的接触、危害的严重性和避免伤害的可能性有关。在EN ISO 12018 中讨论过，并在美国标准RIA TR R15.306[11]中描述了基于任务的风险评估方法。

风险降低措施：识别风险并采取措施把风险降低到可接受的水平。在EN ISO 12100中，按照优先级顺序描述了三种措施：首先，通过固有的安全设计，消除危险或减少风险；其次，通过防护装置和可能的附加保护措施，减小风险；再次，通过使用信息的规定，减小风险。

协作机器人应用系统设计与风险评估过程需要相互关联、相互融合。基于任务进行风险评估，有助于识别伴随任务可能产生的危害，有助于将安全措施在开发初期融入到方案设计过程中。笔者以协作机器人的技术规范作为理论指导和准则，结合项目开发过程中的实践和经验，将应用系统设计和风险评估过程有机地联系起来，进行了如下协作机器人装配单元的安全方案设计。

2 协作机器人应用设计及风险评估

应用举例：在装配线生产的发动机，需要对某一系统的连接件进行密封性检测。

2.1 协作机器人应用设计

原有的密封性检测方法是人工利用检测仪器进行泄漏检测。该检测过程需要操作者手持测试探头移动到某个检测点，保持一定的距离和一定的时间，以获得该检测点的检测数值，进行合格与否判断，并逐个完成所有检测点的测试。采用人工检测时，检测探头的位置无法精确控制，检测时间也有一定的随意性，因此很难获得准确、一致的检测结果；并且，由于某些检测点位置比较隐蔽，操作者需要低头目视确认其位置，不符合人机工程要求；此外，多个连接件的位置较为分散，由于节拍和操作空间的限制，人工检测过程无法覆盖所有的连接件；更重要的是，由于人工操作，测试过程存在漏检或误判的风险。因此，需要能够满足生产使用要求的先进解决方案。

综合分析检测需求和使用现场环境条件，笔者引入协作机器人UR5，在不设防护围栏的情况下安装在当前工位，将该手动检测工位改造为人机协作的自动检测工位，实现生产过程的自动化。这样也可将操作者从重复的操作中解放出来，充分发挥协作机器人的重复性和人的灵活性。

该自动检测工位工作过程如下：

1)发动机随自动化输送线进入到协作机器人装配工位，进行定位和姿态判断；

2)自动化控制系统通过RFID读写器，从信息载体中读取发动机类型和号码信息；

3)自动化控制系统根据识别到的发动机类型信息，通知协作机器人系统执行预定的作业任务；

4)机器人调用对应的程序，携带检测探头以预先编制的轨迹和设定的速度移动到目标位置；

5)检测仪器开始对该连接件进行检测，检测数据回传控制系统，判断结果是否合格；

6)检测完成后，机器人携带检测探头移动到下一个目标位置，直至所有的作业任务完成；

7)机器人回到原位，检测结果写入信息载体，并传输到上位机，发动机放行；

8)操作者负责工具的维护校准，机器人工作点位的检查，以及测试结果报警后进行复检判断。

该协作机器人系统采用两种协作操作模式的组合：一是安全监控停止，确保当操作员无意中进入协作工作区时，机器人以“保护性停止”方式停止运动；二是功率和力限制，确保在检测到机器人或末端执行器碰撞力超限时，机器人停止。

2.2 协作机器人系统风险评估

对协作机器人系统或者人员造成危害的问题均被认为是安全问题。该协作机器人应用的动态因素包括：工件的输送、定位、更换或工件类型的切换，工具的更换，操作者和协作机器人系统之间的接触或交互，协作机器人与附属设施之间的相互作用。

经过风险分析可知，该应用的风险主要是接触或碰撞，接触或碰撞主要来源于协作机器人系统与工件之间，协作机器人系统与操作者之间，或协作机器人系统与工位环境之间。因此，安全措施要能够精确定位工件位置、识别其型号，感知人员的存在及控制机器人的运动。为了减少使用环境中不可预见的危险，应更加细致地进行工位设计和规划，以避免或减少碰撞风险。协作机器人系统的风险分析及采取的安全措施见表1。

表1

2.3 风险降低措施

2.3.1 布局设计

如机器人安全标准所述，机器人工作单元的布局对于降低危险性至关重要，安全方案设计的第一步是构建协作机器人工作单元的整体布局。机器人作业单元布局设计实质上是通过机械设计优化机器人和周边设备的相对位置关系，兼顾到设备形状、工作空间、检测点和工件传输等因素，同时还考虑人员和机器人之间的交互活动。机器人作业单元的布局设计基于上述思路，重点是对协作机器人系统的工作区域进行划分。

通过布局设计将工作区域划分为操作者工作区（1）、人机协作工作区（2）以及机器人工作区（3）等区域（图2）。

图2 协作机器人作业单元的工作区域划分

机器人工作区是布局设计的约束条件，所有的工作点必须位于人机协作工作空间内，以确保机器人对所有工作点可达。

分配给操作者执行任务的区域为操作者工作区。如果操作者接近机器人，则可以通过降低机器人速度来保证安全性。如果操作者进入协作工作空间，机器人则完全停止，以确保完全。

人机协作工作区是在生产操作期间机器人系统与人员可以同时执行任务的空间，该空间作为操作空间的一部分，意味着机器人和人员共享一个通用的工作空间，并允许机器人和人员协同工作。在本应用中，该空间指某一检测点测试报警后，由操作者进入协作空间，对检测点进行人工复检确认的空间。

工位布局设计在定义了三种工作空间的同时，还兼顾到操作者和协作机器人系统之间的交互、任务的有效分配、安全系统设计和人机界面 （HMI），本应用将人机界面集中布置在操作者易于接近的一侧。

协作机器人工位布局图设计如图3所示。

图3 协作机器人工位布局图

2.3.2 控制系统设计

设计协作机器人应用系统的挑战在于需要统筹兼顾系统的所有要素，这些要素包括：部件，如机器人、末端工具、安全传感器等；工作过程，如机器人速度、工件状态、工件传输等；还需要考虑工位环境、人为因素和前后工位的联系，以及各个要素之间的相互作用、信息的交换和传递。

控制系统是设备的枢纽，控制和监控设备的所有输入、输出，确保系统的正常运行，实现既定的功能和安全。安全相关控制功能规范ISO 13849-1中明确要求，安全功能首先由安全相关控制系统实现。因此，协作机器人的应用和安全方案必然以控制系统为基础进行整合设计。

笔者所设计的自动化控制系统架构如图4所示，包括机器人控制层、工具控制层、工件控制层、人员监控和工位环境监控层，自动化控制系统作为上述几个功能层级的核心和中枢，与机器人控制系统、工具控制系统通信，传递控制指令和机器人的数据和状态信息，实时检测机器人和工具是否有故障，并在检测到故障时及时停止机器人和工具的动作。机器人末端法兰与工具以机械方式连接，并进行电气校验，对工具的型号进行识别。

图4 协作机器人自动化控制系统架构

协作机器人系统的核心是用以完成作业任务的工具，通过工具的功能使用，完成工具和工件交互的预期目的，如本应用的检测功能，或者其他人机协作应用中的拧紧、移动、拆卸、加热或向部件的表面添加（如涂胶）等功能。对控制系统进行风险评价分析，选择满足安全要求的部件来实现和改进系统耐故障的能力，如机器人本体和激光安全扫描仪，用符合规范结构分类3的PL=d级要求的部件。

通过装配线上的输送托盘、停止器和定位器等装置，控制系统实现对发动机工件位置的精确控制；通过RFID读写器，自动化控制系统获取工件的型号信息。在机器人外围设置安全激光扫描仪，用来监控工位环境的安全状况，感应人员是否进入工作区域，并与声光报警灯构成工位环境监控系统。此外，控制系统设置紧急停止和安全停止。紧急停止关闭系统，并切断其能量来源。安全停止仅停止运动并等待，直到安全操作得到保证。总之，选择符合安全性能等级的部件，保证部件的本质安全性和适用性；通过控制系统物理层的组织，使各个部件既能独立工作，又能集中控制；通过通信网络的链接，对部件工作状态进行检验和监控。

对于人机协作系统来说，机器人的运动控制非常重要。协作机器人的控制策略主要包括停止、速度控制、限制机器人的自由工作区域，以及设置末端关节的最大的力和力矩。通过ROS软件设置虚拟栅栏，实现机器人工作范围的限制；当机器人达到此限制范围，机器人必须停止；从三个方向限制机器人的工作区域，包括机器人基座左侧区域，龙门架上方区域和低于料道水平面区域，防止机器人进入人员工作空间。

2.3.3 安全防护装置

在风险分析阶段识别到的危险之一是操作者有意或意外地进入协作工作区或机器人工作区域，这些区域需要使用安全防护设备（如安全激光扫描仪等）进行保护。

安全激光扫描仪[12]的任务是对工作区进行划分，感知人员的接近和停留，通过电气安全信号触发系统的安全功能。安全激光扫描仪探测设备周围存在的障碍物，当探测到障碍物后，系统将检测到的信息发送给控制系统；控制系统根据划分的布局信息，给出机器人动作的指令，使其停止运动或者降低运动速度，其控制逻辑如图5所示。

图5 协作机器人安全监控系统的控制逻辑

定义安全激光扫描仪的识别范围，使其与划分的工作区域对应。图6是协作机器人工位的区域设置。

图6 协作机器人工位的区域设置

在图6中，区域A1是危险性最高的区域。该区域是用于工件测试的区域，如果机器人进行不可预知的运动，则人员不能以足够快的速度离开。这种情况唯一的安全状态是当有人员位于该区域时机器人完全停止运动。

区域A2是协作区域，允许机器人与人员进行交互，并且安全激光扫描仪在持续监控人的存在，以便使机器人处于安全监控状态。该安全功能用来确保人员进入协作工作区域并与机器人系统进行交互或执行特定任务前，比如探头末端与检测点间距的检查确认或者更换探头的滤芯时，机器人能停止动作。如果协作工作区域内不存在人员，机器人可以工作在非协作状态，否则必须触发该功能使得机器人停止运动，随后操作者才可以进入协作工作区。

当人员进入A3区域时，若机器人在协作区域内运动，则限制末端工具的最高运动速度为250mm/s。

2.3.4 使用信息

在人机协作系统中，人员与设备之间的有效反馈对于避免危险情况至关重要。若人员不知道机器的状态，会意外或故意触发安全系统。因此，本应用通过指示灯、蜂鸣器等提供设备状态信息，向人员传达机器人的模式变化；在地面通过不同颜色进行标示，提醒人员进入机器人系统的不同的工作区域，安全传感器根据识别到的人员所在的区域，通过停止机器人或降低机器人末端工具的速度来确保操作员的安全；同时，设备的使能按钮可供人员使用，以触发机器人的模式更改。

3 结语

协作机器人本体是一个部分完成的机械，需要与工装夹具、传送装置、检测装置等集成，并结合具体的应用对象和应用工艺进行开发，协作机器人的自动化、智能化才能发挥作用。

协作机器人系统的安全性取决于该机器人是如何集成的。协作机器人应用的安全方案，需要通过风险评估决定，并且在应用系统设计时执行。依据协作机器人的技术规范，从工位布局、控制系统设计、安全防护和使用信息等方面出发，在系统的设计阶段将安全问题考虑进去，以实现系统功能的安全。本文论述的协作应用已经在生产线上完成部署，并在实际生产过程中验证了所设计的安全方案的有效性。

随着工业4.0 的推进，协作机器人将会在汽车制造行业有更加广泛的应用。利用协作机器人的特性，让协作机器人承担操作者的重复性工作，可以拓展人机协作更多的应用场景，实现柔性生产与人机交互。