人機協(xié)作(HRC)描繪了人與自動化機器共享同一工作區(qū)并在其中同時工作的場景。在工業(yè)4.0的推動下，該合作模型保證了高度靈活的工作流程、極高的系統(tǒng)可用性與生產(chǎn)力及經(jīng)濟效益。

    工作流程靈活化是工業(yè)4.0的一大主題，該主題已延伸至在大批量工業(yè)生產(chǎn)條件生產(chǎn)相同規(guī)格的產(chǎn)品，產(chǎn)品和生產(chǎn)流程通過現(xiàn)代信息與通信技術(shù)相融合的“智慧工廠”(SmartFactory)，一方面采用智能化和自主化的機器；另一方面工業(yè)生產(chǎn)中的人機互動的頻率有所增加——人的能力與機器人的能力相結(jié)合，可形成工作循環(huán)更佳、質(zhì)量更好并且成本效率更高的生產(chǎn)解決方案。同時，與人互動的自主式機器人需要有效支持生產(chǎn)流程靈活化的新型安全理念。

    近年來，驅(qū)動系統(tǒng)控制和物體檢測應(yīng)用在工業(yè)自動化領(lǐng)域取得了重大進展，為人機協(xié)作的新時代鋪平了道路。人機協(xié)作是一種質(zhì)量更高、成本更低、工作周期更快的生產(chǎn)解決方案。然而在人機協(xié)作的前提下，用傳統(tǒng)的物理隔離方法將處于危險中的人與危險源分離并不可行。SICK作為安全領(lǐng)域的專家，及安全委員會的標準制訂者之一，一直引領(lǐng)著安理念發(fā)展的前沿，數(shù)十年來一直專注于人機協(xié)作安全解決方案的開發(fā)與應(yīng)用。

如何有效地降低人機協(xié)作的風險？

    根據(jù)人機合作方式，有不同的自動化形式。在實現(xiàn)全面協(xié)作（人與機器人共用同一工作區(qū)并同時工作）的過程中，需要解決共存、配合、協(xié)作等問題，為此不僅需要對機器人應(yīng)用進行廣泛了解，還需要有風險評估方面的專業(yè)知識和相應(yīng)的安全解決方案相組合。在典型的人機協(xié)作型場景中，傳統(tǒng)的共存型或合作型安全檢測解決方案已無法再滿足需要——如今必須根據(jù)實際危險程度來監(jiān)控和限制機器人的力量、速度和行進路線，并在必要時使其停止。因此，人與機器人之間的距離成為極其重要的安全相關(guān)參數(shù)。

共存——聯(lián)鎖裝置

    在通常不需人為干預(yù)的工業(yè)機器人應(yīng)用中，操作者有時需要進入機器人的工作區(qū)域，例如進行檢查或維護。此時，工作區(qū)域須使用柵欄隔開，防護門必須聯(lián)鎖。聯(lián)鎖裝置須確保每當操作者進入危險區(qū)域時，機器人的相關(guān)功能都已關(guān)閉，并且當人員留在危險區(qū)域內(nèi)或防護門打開時，必須保持聯(lián)鎖狀態(tài)。

合作——SICK安全光幕/安全掃描儀

    涉及操作者裝載和卸載機器人單元的過程是工業(yè)機器人較常見的應(yīng)用。在類似場景中，操作者和機器人在不同的時間與相同的工作區(qū)域中完成必要過程。根據(jù)裝載和卸載系統(tǒng)的設(shè)置方式，可使用SICK安全光幕/安全掃描儀結(jié)合SICK安全控制器進行人員檢測與防護。

協(xié)作——安全裝置、監(jiān)控、檢測

    在某些應(yīng)用中，人和機器人必須同時在相同工作區(qū)域中進行交互。在“協(xié)作”的場景中，機器人的力量、速度和運動路徑必須受到限制。

    ①需使用固有或其他的安全裝置、例如通過驅(qū)動器或系統(tǒng)控制器的安全相關(guān)部件的性能來限制扭矩，以將風險降至最低。

    ②根據(jù)實際的風險程度對力量、速度和移動路徑進行安全監(jiān)控。這種危險程度還取決于人和機器人之間的距離。

    ③要求具有可靠的傳感器，如SICK安全光幕/安全激光掃描儀，能夠檢測人的存在或確定人向危險區(qū)域移動的速度及其距離。

協(xié)作操作模式——根據(jù)ISO10218–2與ISO/TS15066

    不同的人機協(xié)作工作站硬件或軟件參數(shù)設(shè)置都是不同的，即使所使用的機器人是專門為人互動而開發(fā)，也需要單獨評估人機協(xié)作應(yīng)用的風險——這樣的“協(xié)作機器人”從基本設(shè)計上便呈現(xiàn)諸多固有安全的結(jié)構(gòu)特點。同時，協(xié)作空間范圍也有基本的要求，例如與相鄰的工作區(qū)域、存在擠傷或夾傷危險的可進入?yún)^(qū)域需要保持的最小距離。IEC61508、IEC62061和ISO13849-1/-2等通用標準構(gòu)成人機協(xié)作應(yīng)用功能安全的規(guī)范性依據(jù)。此外，還應(yīng)考慮到涉及工業(yè)機器人安全的ISO10218-1/-2和有關(guān)協(xié)作型機器人的ISOTS15066。機器人系統(tǒng)的開發(fā)商和集成商不僅要仔細檢查機器人制造商采取的結(jié)構(gòu)性防護措施是否符合標準，還要評估到可能殘余風險和危害。為此，應(yīng)當根據(jù)ENISO12100對機器人系統(tǒng)及其運動過程和預(yù)定協(xié)作區(qū)進行風險評估，從中得出相應(yīng)安全措施——例如按照ISO/TS15066選擇相應(yīng)的協(xié)作模式。

•監(jiān)測安全停止

    •在協(xié)作區(qū)域內(nèi)，監(jiān)控與操作者協(xié)作的機器人的停止狀態(tài)，機器人驅(qū)動器可保持通電狀態(tài)。

    •手動引導(dǎo)控制通過手動引導(dǎo)來控制機器人的速度，確保人與機器人協(xié)作的安全性。

•力量和扭矩限制——協(xié)作之路

    通過將力量和扭矩限制在不會發(fā)生傷害和風險的預(yù)期值，來實現(xiàn)必要的安全性?；谟邢蘖α亢团ぞ氐膽?yīng)用需要專門為這種操作模式設(shè)計的機器人。技術(shù)規(guī)范ISO/TS15066規(guī)定了機器人與身體部位碰撞時不得超過的最大值（生物機械負載限制）。

•距離和速度監(jiān)測——未來

    機器人的速度和移動路徑（軌跡）根據(jù)操作者在保護區(qū)域中的速度和位置來進行監(jiān)視和調(diào)整。

    （注：以上模式可單獨或組合使用。）

安全協(xié)作模式的驗證

風險評估

    如今，市場上有各類機器人，從標準的工業(yè)機器人到專為協(xié)作操作而設(shè)計的機器人（協(xié)作式機器人或“Cobots”）。無論何時將機器人集成到系統(tǒng)中，都必須對整個機器人系統(tǒng)進行風險評估，以便于采取措施降低風險。即使機器人已經(jīng)具有降低風險的設(shè)計特征，也必須進行風險評估。

降低風險

    通常用于協(xié)作機器人應(yīng)用的固有安全解決方案包括：

    •限制最大力量或扭矩

    •優(yōu)化機器人裝置，以減少壓力沖擊或碰撞力的傳遞（例如，機器人表面，吸能襯墊等）

    然而，這些固有安全方案的有效性可能會由于協(xié)作工作區(qū)域內(nèi)的機器人工具、工件或其他機器的設(shè)計而降低。此時可以使用附加的安全裝置來解決這個問題，比如：

    •通過控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部分來限制功率（扭矩）、力量或速度；

    •使用壓敏保護裝置（PSPE）或光電保護裝置，如SICK安全光幕/安全掃描儀來停止或反轉(zhuǎn)機器人的運動。

小結(jié)

    未來，人和機器人將在需要高度靈活性的自動化應(yīng)用（例如，在定制化的小批量生產(chǎn)）中更加緊密地工作。人工裝配操作正逐漸被人機協(xié)作所取代。ISO/TS15066的設(shè)計原則補充了ISO10218-1/2已經(jīng)制定的要求，并為協(xié)作機器人應(yīng)用的設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。目前市場上的產(chǎn)品和設(shè)備仍無法完全滿足安全無阻礙的人機協(xié)作應(yīng)用的全部要求，新型傳感器和機器人技術(shù)以及智能控制系統(tǒng)的發(fā)展是未來協(xié)作機器人應(yīng)用的基本要求。